简化的光纤光栅应变传感器光-力转换的时变方程

基于光纤光栅应变传感的基本原理以及粘弹性力学的基本理论,建立了一种简化的光纤光栅应变传感器光-力转换的时变方程。方程的建立忽略封装基体和纤芯的粘弹性力学行为,同时综合考虑观测环境-封装基体-粘结层(或涂层)-光纤纤芯之间的弹性和粘弹性力学耦合机制。所建立的方程既包含了传感器的所有几何特征参数和力学特征参数,又可大为简化光-力转换的时变分析过程,从而为光纤光栅应变传感应用于大型工程结构健康监测的长期性能评估(包括参数标定、信号校正、精度分析及误差估算)提供较为可靠、实用、简便的理论分析工具。     

光纤布拉格光栅传感器应变传递双向耦合分析

粘贴于受弯基体表面的光纤布拉格光栅传感器测量应变与基体真实应变之间存在误差,因此研究光纤布拉格光栅传感器的变形机理、分析测量应变与真实应变之间的关系是目前的研究热点.首先研究光纤布拉格光栅传感器与基体之间的相互作用机理,然后,利用有限元解、实验值和理论解进行对比验证,并分析产生误差的原因.最后,通过参数分析研究弹性模量、厚度、粘结长度等参数对光纤布拉格光栅传感器测量效果的影响.结果表明有限元解、实验值和理论解具有相同的变化趋势,有限元解与理论解的误差在2%以内,测量值与理论解的误差在7%以内.平均应变传递率随着基体弹性模量的增大、粘结长度的增长而逐渐增大,随粘结层弹性模量的减小、粘结层厚度的增大而逐渐减小.该理论对应用于受弯基体应变测量的光纤布拉格光栅传感器的设计具有一定的指导意义.     

非轴向力下埋入式光纤传感器应变传递分析

利用剪滞法建立了当光纤光栅传感器的轴线和基体主应力的方向成一定角度时,光纤光栅传感器的测量应变与基体结构实际应变之间的关系,进而得出了光纤光栅传感器的平均应变传递率的一般公式。采用裸光纤光栅传感器进行实验,在倾斜角度α为30.72°时,实验所得的波长变化之比分别为:0.727,0.738,0.746;理论计算所得的波长变化之比为0.739,相对误差都在2%以内。同时分析了埋设角度偏差对测量结果的影响。研究结果表明,非轴向力作用下光纤光栅传感器的应变与结构基体应变之间的传递关系与其在轴向力作用下存在明显的区别,埋设角度的偏差会给测量结果造成一定的误差。     

3D打印封装光纤光栅传感器应变传递机理研究

采用3D打印方法开发光纤光栅应变传感器,建立裸光纤光栅传感器、3D打印封装层、被测基体三者之间的应变耦合传递的分离式模型,推导光纤光栅传感器与被测基体的应变传递关系,分析夹持式3D打印光纤光栅应变传感器应变传递率的影响因素,包括封装层弹性模量、封装层厚度、黏结长度。研究结果表明平均应变传递率与封装层弹性模量和黏结长度呈正相关,与封装层厚度呈负相关。研究成果对夹持式光纤光栅应变测量、误差修正和传感器设计,以及3D打印技术封装光纤布拉格光栅的可行性具有参考意义。     

基于等应变梁的光纤光栅静电电压传感器

为了实现静电电压表的精确测量,提出了一种基于等应变梁和光纤布拉格光栅(FBG)的静电电压传感器。在一定温度范围内,由双FBG的结构方案实现了传感器的温度自补偿,通过对等应变梁的仿真分析和传感器系统的电场仿真,优化设计和制备了传感器结构系统。利用一对平板电极产生匀强电场,在静电力作用下等应变梁上的导体半球受力致使等应变梁发生变形,使得两个FBG反射光谱的中心波长产生偏移,通过FBG的波长差实现了电压的测量。实验结果表明:该传感器可实现5~24 k V直流(DC)高压和交流(AC)高压有效值的测量,5~12 k V的计算精度为2.1%,12~24 k V的计算精度为0.89%,传感曲线的拟合度为0.99985,基本满足高电压测量系统的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。     

光纤光栅式飞机驾驶杆杆力传感器研究

提出了一种基于光纤布喇格光栅的飞机驾驶杆力传感器.理论上讨论了飞机驾驶杆弹性元件力学特性和光纤布喇格光栅的应变传感特性,分析了飞机驾驶杆力传感器的灵敏特性.实验上通过测量不同外加载荷力作用下光纤光栅中心波长变化,研究了光纤光栅式飞机驾驶杆力传感器的传感响应特性.实验结果表明:光纤光栅中心波长漂移量和外加载荷力成线性关系,与理论分析吻合;传感器的横向与纵向灵敏度可以分别达到2.07pm.N-1和1.80pm.N-1,与数值模拟结果基本一致.     

保偏光纤光栅应变传感器的研究

针对光纤布拉格光栅(FBG)温度和应变的交叉敏感问题,设计了一种带熔点保偏光纤光栅(PMFBG)结构。该结构通过将2段保偏光纤带加大推进量熔接,形成中间凸起结构,然后在熔点位置写入光栅。文中首先采用熊猫保偏光纤设计制作了该结构,并搭建实验装置测试其在(0~2)N轴向应力作用下的反射光谱,发现PMFBG快轴和慢轴的反射谱均分裂成2个峰值,随着轴向应力的增加,反射谱整体产生红移,同时分裂的2个峰值强度的比值单调减小,且不受温度的影响。随后,采用有限元法分析了该结构的轴向应变分布,并基于传输矩阵法仿真分析了该PMFBG反射光谱随应力的变化特性,仿真与实验结果的一致性较好。证实可利用PMFBG反射光谱的峰值之比消除轴向应变与温度的交叉敏感性,实现轴向应变的测量。     

光纤光栅应变传感的综合性实验设计

利用光纤布拉格光栅反射波长对外界应变敏感的特性,测量等强度悬臂梁产生的应变,并通过对实验得到的数据进行分析,最终得到光纤光栅反射波长漂移量与应变的关系.     

基于等应变梁的光纤光栅静电电压传感器EI北大核心CSCD

为了实现静电电压表的精确测量,提出了一种基于等应变梁和光纤布拉格光栅（FBG）的静电电压传感器。在一定温度范围内,由双FBG的结构方案实现了传感器的温度自补偿,通过对等应变梁的仿真分析和传感器系统的电场仿真,优化设计和制备了传感器结构系统。利用一对平板电极产生匀强电场,在静电力作用下等应变梁上的导体半球受力致使等应变梁发生变形,使得两个FBG反射光谱的中心波长产生偏移,通过FBG的波长差实现了电压的测量。实验结果表明：该传感器可实现5~24 k V直流（DC）高压和交流（AC）高压有效值的测量,5~12 k V的计算精度为2.1%,12~24 k V的计算精度为0.89%,传感曲线的拟合度为0.99985,基本满足高电压测量系统的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。     

光纤布拉格光栅与空芯光纤多模干涉混合型温度应变双参量传感器

针对光纤应变传感器由于温度敏感而引入的测量问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅和空芯光纤多模干涉效应的混合型温度-应变双参量传感器.该传感器由两根单模光纤与一段内径小于单模光纤纤芯直径的空芯光纤熔接制成,其中一根单模光纤的光纤端面附近预刻一组光纤布拉格光栅.空芯光纤长度为厘米量级,光波以多模形式在空芯光纤侧壁中传播.结合...     

非栅区封装光纤布喇格光栅应变传感特性研究

针对表面粘贴式非栅区封装结构,依据变形等效原理,推导了该结构的应变传递函数,仿真分析了非栅区封装中间段长度与封装材料弹性模量对应变传递效率的影响.分别采用有机环氧胶与金属锌,将两只光纤布喇格光栅用非栅区封装方式固定在同一根钢丝上,进行拉伸试验,试验结果表明:两种材料的拉伸曲线线性度均达到0.99以上,表明两种封装材料的应变传递一致性较好;金属锌封装结构的应力感知灵敏度平均值为0.142 6nm/KN,环氧有机胶封装结构的应力感知灵敏度平均值为0.130 4nm/KN;各种应变值下,金属锌封装结构的应变传递系数均稳定在0.995左右,而环氧有机胶封装结构的应变传递系数在0.91左右上下波动,金属锌的应变传递效率较有机环氧胶高了近9.34%.试验结果与数值仿真结果较为吻合,可为非栅区封装光纤布喇格光栅传感器的设计提供依据.     

利用成像光谱技术的光纤光栅多传感器复用

根据光纤光栅多传感器复用时信号的光谱特征，提出了采用成像光谱技术对复用信号进行解调的方案。在分析了成像光谱复用方案原理、推导了其测量分辨率及复用能力等主要性能指标的基础上，给出了验证实验系统及相应实验的结果。     

双涂层光纤应变传感器的理论与实验研究

对带有聚合物涂敷层和缓冲层的光纤应变传感器的力学特性进行了研究,建立了双涂层光纤与基体材料相互作用的线弹性理论模型.理论研究表明：在小半径近似条件下,双涂层光纤的力学传递特性决定于涂覆层和缓冲层的弹性模量的相对值;当缓冲层的弹性模量远大于涂覆层时,其作用可忽略.实验中,将光纤传感器埋入基体材料内部,利用白光干涉应变测量方法,对平均应变传递系数进行了实验研究.实验结果与理论仿真具有较好的一致性.     

FBG传感器复用解调异常的研究

基于光纤布拉格光栅应变传感器的解调原理,分析了传感器性能蜕化时应变传感系统中解调异常的问题,通过理论推导及模拟仿真,发现了存在解调的测量峰值波长少于实际传感器数量的现象,并提出了解决方法,在工程应用中对此进行了验证,证实了方法的有效性。     

Darboux Transformation for Tzitzeica Equation

We present a Darboux transformation for Tzitzeica equation associated with 3 × 3 matrix spectral problem. The explicit solution of Tzitzeica equation is obtained.     

Darboux Transformation for Drinfel'd-Sokolov-Wilson Equation

A coupled system known as tie Drinfel'd-Sokolov-Wilson equation is reexamined.With the help of a Lax operator of fourth order,its proper Darboux transformation is constructed.Also,a nonlinear superposition formula is worked out for the associated Backlund transformation and some solutions are calculated.     

Darboux Transformation for Drinfel'd-Sokolov-Wilson Equation

A coupled system known as the Drinfel'd-Sokolov-Wilson equation is reexamined. With the help of a Lax operator of fourth order, its proper Darboux transformation is constructed. Also, a nonlinear superposition formula is worked out for the associated Bäcklund transformation and some solutions are calculated.     

粒子群优化算法在光纤光栅传感器波长解调中的应用

为了提高光纤光栅(FBG)解调系统的波长解调精度,采用粒子群优化(PSO)算法结合参考光纤光栅(FBG),对常用波长解调器Fabry-Perot型光纤滤波器(FPF)的透射光谱中心波长与控制电压之间存在的非线性和回滞特性进行了研究,并提出一种实时建立FPF透射光中心波长与其控制电压之间关系模型的方法。该方法利用粒子群优化算法收敛快、易实现的特点,保证了FPF模型建立的准确性和实时性。实验结果证明,利用所建模型可有效提高FBG传感系统的波长测量准确度,测量误差不超过25 pm。系统结构简单,对提高FBG传感系统的测量准确度具有重要意义。     

FBG分布式非均匀应变重构准确度分析研究

以剥层算法为基础,分别从非均匀解调应变大小、重构算法的特征参量以及光栅初始结构参量等对光纤布喇格光栅应变重构准确度的影响进行相关研究分析.结果表明:工作长度为5~30mm的光纤布喇格光栅最佳应变解调在3 000με以内,在该应变解调范围内,保持光栅剥层的分层长度为0.1mm左右时,应变重构准确度和效率较优,折射率调制幅度越小,应变重构误差越小;同时,对于非均匀应变检测使用的强光栅,折射率调制幅度约为0.000 12时,应变检测结果最好.本文的研究结果对提高非均匀应变的重构准确度具有重要的指导意义.