光纤复合材料结构低速冲击判位研究

复合材料智能结构容易产生从表面无法探测到的低速冲击损伤。试验利用光纤复合材料结构中布拉格光纤光栅传感器受到低速冲击后中心波长随应力变化这一特性,在恒温下用布拉格光栅对复合材料智能结构受到的低速冲击位置给出判别。通过计算冲击待测数字采样信号与所有冲击模板数字采样信号的Hausdorff距离,给出两者的相似度,利用相似度判别复合材料结构低速冲击位置。试验表明布拉格光纤光栅传感器可以监测复合材料冲击信号,能够对复合材料结构低速冲击进行判位研究。     

光纤光栅传感网络的冲击定位方法

针对航空航天层合板结构冲击与振动监测的需求,提出一种基于小波包分解方法和分布式光纤光栅传感网络的板状结构低速冲击辨识方法。根据四边固支板结构的承载形式与光纤光栅传感器的感知特性,设计合理的传感器网络布局,再利用快速傅里叶变换(fast Fourier transformation,简称FFT)与小波包分解对光纤光栅传感网络监测到的冲击响应信号进行时频域分析,获取能表征冲击特性的时域特征分解信号。在此基础上,分别计算出每一个特征分解信号与其对应的时域原始信号之间的互相关系数,并将其做为相似度分配权值,分解出所有样本冲击点对应冲击响应信号的特征分解信号,构建样本信息库。利用Haudorff距离计算测试信号与样本信息库各个信号之间的相似度,并根据相似度来确定冲击点的位置坐标。研究表明,该方法能够实现对航空航天层合板结构低速冲击位置的辨识。     

基于布拉格光纤光栅的碳纤维壁板损伤监测研究

针对大型的碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,提出使用光纤布拉格光栅测量结构应变场分布,通过神经网络判别结构损伤的方法,对典型的飞机碳纤维复合材料盒段壁板结构进行健康监测研究。研究了损伤对机翼盒段壁板结构应变场的影响,研究结果表明,光纤布拉格光栅作为传感器可以较好地应用于航空材料的结构健康监测中,采用神经网络的判别方法可以较准确地判别出结构损伤的位置和程度。     

基于FBG传感器的冲击损伤定位

针对复合材料冲击损伤,提出了一种基于光纤布拉格光栅(fiber bragg grating,简称FBG)网络的定位方法,该方法仅依据冲击期间FBG测得最大应变和FBG的相对位置,即可对被测结构进行损伤定位,并在某飞机使用的复合材料层板上进行了试验验证.试验结果表明,FBG监测的位置和实际冲击位置的最大定位绝对误差约为3.34cm,5个冲击点的平均定位误差仅为1.26 cm.该损伤定位方法所需参数少、快速且简便易行,其识别精度满足工程实际要求.     

基于FBC传感器的冲击损伤定位

针对复合材料冲击损伤,提出了一种基于光纤布拉格光栅(fiber bragg grating, 简 称FBG)网络的定位方法,该方法仅依据冲击期间FBG测得最大应变和FBG的相对位置,即可对 被测结构进行损伤定位,并在某飞机使用的复合材料层板上进行了试验验证。试验结果表明, FBG监 测的位置和实际冲击位置的最大定位绝对误差约为３．３４ cm,5个冲击点的平均定位误差 仅为126　cm。该损伤定位方法所需参数少、快速且简便易行,其识别精度满足工程实际 要求。     

光纤光栅压力传感器实验研究

文中提出了一种新颖的光纤布拉格光栅压力传感器,它是利用光纤布拉格光栅(FBG)对应变的传感特性,将光纤布拉格光栅粘贴于C型压力弹簧管上的特定位置,通过光纤布拉格光栅反射波长的变化,来实现对压力的测量。该传感器灵敏度的实验值和理论值分别为0.671nm/MPa和0.791nm/MPa,且具有很好的线性度,迟滞很小,有一定的发展前景。     

基于小波包特征提取及支持向量回归机的光纤布拉格光栅冲击定位系统

以光纤布拉格光栅(FBG)为传感网络,构建了复合材料冲击载荷实时在线监测系统,研究了基于小波包特征提取及支持向量回归机的光纤-碳纤维复合材料结构冲击定位方法.针对同一冲击点,分析不同传感信号,获得了冲击响应信号小波包能量谱,分析结果表明小波包能量谱中特定阶数对冲击敏感.改变冲击点位置研究小波包能量谱与冲击位置之间的关系,提出将第6阶小波包能量值作为冲击定位的特征向量.采用支持向量回归机建立样本数据的回归模型,预测冲击载荷位置,并对支持向量机的相关调整参数进行了优化.实验表明,支持向量机的网络测试误差为4.81％.研究结果可为碳纤维复合材料(CFRP)层状结构的冲击性能评估提供可行的实验方法.     

基于光纤光栅的小量程称重传感器设计

设计了一种小量程光纤布拉格光栅称重传感器,采用双孔单槽式悬臂梁型弹性体结构,并利用有限元软件ANSYS对弹性体结构进行优化设计,以满足小量程设计要求。采用四片光纤光栅布片方式,提高了传感器的灵敏度,并利用正应变和负应变的光纤光栅信号进行叠加,以补偿温度的影响。对传感器进行加载卸载实验,并对所设计的传感器进行了整体性能分析,实验结果表明,传感器的称重范围为0-4kg,线性度误差小于0.9%,温度补偿达到了一定效果,性能稳定,证明了设计方法的可行性。     

用于复合材料蒙皮的FBG正交传感网络研究

为了实现对复合材料蒙皮的结构健康监测与损伤识别,本文在对光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器理论分析的基础上,结合CFRP材料特性和波分复用技术设计了一种由16个FBG传感器构成的光纤光栅正交传感网络布局,对碳纤维复合材料(CFRP)蒙皮进行相关准分布式传感网络研究。通过对复合材料中心位置进行逐级加载实验,并提取中心波长漂移量做相关性分析,证明了正交对称FBG传感网络对CFRP蒙皮进行结构健康监测的可行性,同时对称布局位置处的FBG传感器信号具有高度相关性质,相关系数可高达0.9996。实验结果为进一步研究准分布式FBG网络的位置布局优化以及传感网络的可靠性冗余设计提供了依据。     

光纤光栅压力传感器的研究进展与趋势

由于在灵敏度、绝缘性、抗腐蚀和分布式测量等方面具有优势,光纤光栅压力传感器在能源化工、航空航天和土木工程等领域中逐渐地受到人们关注,并成为研究热点。通过综述近年来迅速发展的光纤光栅压力传感器的研究进展,介绍了利用光纤布拉格光栅(FBG)轴向应变构建压力传感器的工作原理、结构和特点,并按照光纤光栅安装方式对此类压力传感器进行了分类,同时概述了光纤光栅横向压力传感的实验研究,并对光纤光栅压力传感器的发展趋势进行了述评。     

卫星典型复合材料蜂窝结构板的冲击定位方法

针对一种典型复合材料蜂窝夹芯结构,构建了光纤Bragg光栅传感系统,实时监测材料冲击响应信号,对信号进行了小波包分解获得其能量谱。结果表明,第16阶小波包能量对冲击敏感。利用能量幅值比进行冲击定位,平均误差为1.87cm。该方法能够有效判定冲击位置,为卫星结构健康监测提供了一定的依据。     

Impact location determination on thin laminated composite plates using an NIR-FBG sensor system

An integration of Structural Health Monitoring (SHM) into composite structures contribute towards the development of smart composites structure. Smart-structure offers an ability have a continuous and real-time information of its circumstances under critical loading applications. One of the main objectives in this research study was the development of the Fiber Bragg grating (FBG) sensor system for SHM of thin composite laminates. Not only that, this work has been utilizing the FBG sensors in the Near Infra-red (NIR) range; ∼830 nm, as an alternative to the applications of the conventional 1550 nm FBG sensors. The capability of this sensor system was validated with the impact location determination test on a thin composite plate. It showed a very promising result whereby the relative error falls below 10%.     

基于桥梁结构的FBG传感器温度与应变交叉敏感问题的研究

对光纤布拉格光栅(FBG)传感器在桥梁结构健康监测中产生的温度与应变交叉敏感问题进行了研究。采用参考光纤光栅法在应变传感光纤光栅附近额外加入一个温度测量光纤光栅,对应变光栅实现温度补偿功能。设计了基于参考光纤光栅法的FBG传感器及FBG传感器封装的机械结构,并通过实验来验证FBG传感器的性能。实验数据表明,温度传感光纤光栅几乎不受应变的影响,应变传感光栅的中心波长变化与温度变化呈一阶线性关系,修正后的测量结果更加精确,达到了双参数同时测量的目的,应变与布拉格波长的线性关系非常好,相关系数达到0.99以上。参考光纤光栅法能够很好地解决FBG传感器温度与应变交叉敏感的问题。     

Development and sensing properties study of FRP-FBG smart stay cable for bridge health monitoring applications

There are many shortcomings in using traditional force sensors and bare optic fiber Bragg grating sensors (OFBGS) to monitor the stresses in bridge stay cables. In this paper, we propose to use the glass fiber with high durability and high intensity to embed the optic fiber grating sensor. First, the craft procedure of the GFRP-OFBGS and the layout methods among the bridge stay cables are described. Second, the sensing properties of the GFRP-OFBGS with different diameters were studied through experiments. Third, stretching experiments were carried out on the smart stay cables. The test results demonstrated that the whole procedure of the stretching test can be perfectly monitored, and the quantities of the cable tension can be recorded accurately. Finally, we investigated the craft procedure of the GFRP-OFBGS sensor layout in ErBian DaDu river bowstring arch in SiChuan province, China. The whole stretching procedure was successfully monitored during construction.     

光纤傅里叶变换光谱术在光纤光栅传感解调中的应用

介绍了光纤Mach-Zehnder干涉仪的基本原理和光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)的结构;基于光纤Mach-Zehnder干涉仪,采用傅里叶变换光谱算法对光纤Bragg光栅传感器的波长进行了解调。宽带光源发出的光经过光纤耦合器进入光纤Bragg光栅,其反射光由耦合器返回进入到FFTS中进行测量,FFTS的最高光谱分辨率达到0.05 cm-1,即在近红外1 550 nm波长处分辨率为0.012 nm。分别对光纤Bragg光栅的应变特性和温度特性进行了测量。测量显示:光纤Bragg光栅的应变灵敏度为0.833 pm/με,温度灵敏度为19.78 pm/℃。得到的结果表明FFTS系统具有高分辨率、大测量范围的特点,可满足光纤Bragg光栅传感器波长解调的需求。     

适合于土压力测试的新型光纤光栅传感器性能研究

土压力测量是土力学研究要点,传统土压力传感器因不具备长期稳定、耐久性和抗电磁干扰等功能无法满足结构监测要求.光纤光栅,因有精度高、体积小、耐腐蚀等优点,被作为传感元件,设计了一种新型光纤光栅土压力传感器,理论分析其测压原理及可行性,并以实验方式对该传感器性能进行校核.研究表明:此光纤光栅土压力传感器的温度自补偿功能、线性度和重复性、总精度等都较好,满足工程需求,能用于岩土工程结构的长期健康监测.     

基于光纤环镜的光纤光栅传感解调系统

提出了一种新型的基于保偏光纤环镜的光纤布拉格光栅传感器解调方案。建立了理论分析模型,研究了保偏光纤环镜结构参数对解调精度影响的特性并进行了数值仿真。搭建了光路系统,设计了能够消除系统结构参数误差影响的基于LabVIEW的参数测定软件、解调系统监控软件和电路模块,进行了传感检测实验,其结果与理论分析相吻合。该系统稳定性好,检测灵敏度高,适用性强,在光纤光栅传感器的应用方面具有重要意义。