灵敏度系数可调布拉格光栅应变传感器的设计

针对裸光纤布拉格光栅应变监测量程或精度有限的问题,提出了一种灵敏度系数可调光纤布拉格光栅应变传感器的设计方法。理论和实验研究了该方法在增大光纤布拉格光栅应变监测量程或提高精度方面的性能,并以此研制了基片表面粘贴式和FRP封装式两种封装结构的灵敏度系数可调应变传感器。理论分析并实验标定了传感器的灵敏度系数。最后,对传感器理论和实验灵敏度系数误差进行了分析,指出了改进的方向。实验结果表明:两种封装结构的大量程传感器的量程分别增加了243%和126%,高精度传感器的精度提高至0.51με和0.52με。传感器标定实验表明,两种封装结构的传感器都有很好的线性度和重复性,相关系数达到0.999以上。     

超低温宽温域环境下FBG传感器应变标定方法

在某超低温风洞结构健康监测的工程中,光纤光栅传感器被用来实时监测风洞洞体结构变形,然而超低温及宽温域的环境会极大地影响应变测量精度。为解决光纤光栅传感器在-196℃至常温范围的应变测量的温度影响,进一步提高测量精度,提出了一种超低温宽温域环境下的光纤布拉格光栅(fiber-optic Bragg grating,简称FBG)传感器应变灵敏度系数标定方法。该方法通过一套超低温宽温域标定系统对FBG传感器在-196℃～20℃的多个温度点的应变灵敏度系数进行了试验测量,利用该标定结果修正超低温宽温域环境下温度对应变的测量结果,可有效提高光纤光栅传感器的应变测量精度。试验还发现,FBG传感器的应变灵敏度系数呈现出随温度降低而升高的规律,该结论对进一步开展超低温宽温域环境下FBG应变传感器温度补偿研究奠定了基础。     

基于加权最小二乘法的光纤光栅应变传感器参数敏感性自动优化算法

常规光纤光栅应变传感器参数优化方法主要依托于麻雀搜索算法,但此方法忽略了应变传递的影响,导致传感器灵敏度较低,无法保证测量精度。为此,提出基于加权最小二乘法的光纤光栅应变传感器参数敏感性自动优化算法。依据光纤光栅应变传感器的组成结构与工作原理,充分考虑应变传递系数的变化规律,计算应变传递损耗,并采用光传输矩阵计算光纤中心波长的电场振幅,由此得到传感器敏感场分布,结合模式耦合理论,以敏感场分布均匀性和最大电容与最小电容比值最小为目标函数建立参数优化模型,并采用加权最小二乘法对采样点加权获取优化响应值,进而得到传感器最优结构参数。对比实验结果表明,利用所提方法对光纤光栅应变传感器参数进行优化后,传感器的灵敏度较高,保证了传感器的测量精度。     

用于板壳应变检测的新型FBG传感器

在板壳材料实际装配过程中,由于预应力和尺寸位置偏差等因素的存在会产生装配变形,研究变形和应变分布最常用的方法是利用光纤光栅传感器阵列对其进行检测。目前表面粘贴式光纤光栅(FBG)传感器的封装体积较大,很难与工件达到完全贴合,检测精度低,难以实现大曲率跨度结构的变形检测。根据光纤光栅传感理论,研究并设计了适用于变曲率板壳结构的不锈钢箔片封装FBG传感器,使得该传感器能够与工件实现最大程度的贴合。同时利用悬臂梁加载试验对其应变灵敏度系数进行标定,采用ANSYS有限元软件和试验结果进行分析对比。结果表明,新型封装传感器提高了应力测量灵敏度且适应曲率为0. 005～0. 0075的板壳结构变形检测。     

光学遥感器光机结构热变形的高精度测量

空间光学遥感器光机结构在复杂的空间轨道热环境中会产生热变形,影响探测精度.为解决光学遥感器光机结构热变形测量问题,本文提出了基于数字摄影测量和光纤光栅传感的热变形组合监测方法;建立了具有热解耦功能的光纤光栅布局方法和变形测量模型算法,理论分析了光纤光栅光谱变化与应变、温度的关系,采用实验方法标定光纤光栅应变传感器和温度...     

工程化光纤光栅应变传感器的制作及其应用

分析了适用于动态应变测量的光纤光栅传感器所应满足的条件，并进行了相关实验。在实验的基础上，设计并制作了一种适用于工程化的光纤光栅动态应变传感器。对等强度水泥梁以及实际工程中的卢浦大桥等场合，用该光纤光栅应变传感器与传统的电阻应变片传感器进行了对比验证。实验结果表明，光纤光栅应变传感器具有很高的精度。     

光纤光栅应变传感在扭振测量中的应用

为了实现对大型旋转机械扭振的准确测量,提出了一种基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)应变的扭振测量方法。首先,根据旋转机械轴系的扭振产生机理以及光纤光栅传感技术,建立了扭振与光纤光栅的应变传递模型,进而设计了光纤光栅应变传感器。接着,搭建了静、动态实验平台,对该传感器进行了静、动态标定实验。最后,在机械运行状态下,对该传感器进行了动态扭振测试实验。标定实验结果表明:在线性区间内,该传感器的灵敏度为12.464με/Nm,线性相关系数为0.9987,迟滞误差为3.02%,重复性误差为1.23%;在动态响应实验中,响应时间为0.171s(±5%),超调量为67.81%。动态测试实验结果表明:该传感器能检测出与已知加载特征一致的扭振信号。因此,基本满足对扭振测量的稳定可靠、精度高、抗电磁干扰等要求。     

船用光纤光栅应变传感器开发与应用研究

为了保证船舶结构健康监测系统中应变量值的准确可靠,设计并开发了一种可校准的船用光纤光栅应变传感器。该应变传感器结构经过优化具有较高的精度,且具有可反复安装使用和可校准的特点。设计了光纤光栅应变传感器专用校准装置,其量值可溯源至国家长度基准。通过加载实验验证了该应变传感器的性能,实验结果表明该应变传感器的最大非线性误差为3.4με,重复性为3.1με,证明了该传感器具有良好的测量精度。在此基础上,设计船体结构模型,对传感器进行了静态加载实验,传感器测量数据与理论计算结果符合较好,在实验水池中通过模拟实际风浪环境进行了波浪载荷测试,结果表明研制的船用光纤光栅应变传感器具有较好的可靠性。所研究为工作为船舶结构在线健康监测中的应变测量技术的研究与应用提供了有效的技术手段。     

基于光纤布拉格光栅的二维力传感器设计及实验研究

针对目前多维力传感器难以同时兼顾电磁干扰、接线复杂、维间耦合较大及灵敏度较低的问题,设计了一种基于光纤布拉格光栅的二维力传感器。首先,基于光纤布拉格光栅传感理论和简支梁弯曲变形理论,设计了十字横梁结构的传感器弹性体,并揭示光纤光栅传感器波长漂移量与力的映射关系;其次,采用有限元分析方法研究弹性体的应变分布特性,确定光纤布拉格光栅最佳封装位置;最后,搭建了实验标定平台,对传感器的灵敏度、线性度、维间耦合误差以及重复性误差进行实验研究。实验结果表明,该传感器x、y方向的波长灵敏度分别约为7.464、7.520 pm/N,线性度分别约为3%、2%,维间耦合误差分别约为1.01%、0.218%,重复性误差分别约为4.898%、5.828%。该传感器可应用于机器人腕部二维力测量,对提高机器人关节的高精度控制反馈具有重要意义。     

用于假手指尖的光纤光栅触觉力传感器研究

针对现有假手触觉测量常用的薄膜压力传感器精度不佳、线性度差、迟滞性高等问题,研究了一种可安装于假手指尖的光纤布拉格光栅触觉力传感器。首先,通过传感单元的微小化结构设计,可以将施加的外力转化为光纤承受的轴向力;进而,通过有限元对传感器结构参数进行优化,提高了光纤光栅对于压力的灵敏度;然后,围绕假手指尖应用的需求,制作了这种光纤布拉格光栅触觉力传感器;最后,对该传感器进行了性能标定、对比分析和应用抓取3个实验分析,实验结果表明:该传感器压力灵敏度为0.103 8 nm/N,线性度R~2为0.998,重复性误差为1.32%和迟滞性误差为2.19%;与现有的薄膜压力传感器对比,该传感器的线性度和重复度都更高,迟滞性更低。     

利用双光杠杆测量非等截面光纤布拉格光栅传感器的应变系数

使用单个光杠杆监测传感器应变时,传感器两端的被夹持部位受力后易与电子万能试验机的夹持器产生滑移。为了消除滑移影响以提高测试精度,本文使用两套光杠杆建立了测量弹性受力部位呈非等截面的光纤布拉格光栅(FBG)传感器等效应变系数ηεeff的实验测量系统。测试时,将两套光杠杆的平面反射镜分别安放在传感器弹性受力部位两侧的固定端端面上,测量出两个固定端在受力变形后的相对位移和相应的FBG中心波长变化量。然后,使用曲线拟合法和累加均值法对实验测得的数据进行处理来获得ηεeff。建立了仿真模型,得到了ηεeff预估值并与实测值进行了对比。结果显示:实验测得的ηεeff为0.681 7με/pm,精度为0.91%,与仿真获得的预估值0.672 0με/pm相差仅为1.42%。该方法满足了准确测量非等截面结构FBG传感器应变系数的要求。     

光纤布拉格光栅传感器与基于应变模态理论的结构损伤识别

介绍了光纤布拉格光栅传感器和应变模态理论的基本原理，综述了应变模态理论用于结构损伤识别的研究现状，由于基于应变模态理论的结构损伤识别受到传统应变检测手段的制约，因此，寻求一种高精度应变检测手段已成为应变模态理论用于现场结构损伤识别的前提，根据光纤光栅所具有的高工绝对测量、准分布工数字测量、抗电磁干扰、构造简单、使用方便等诸多优点，提出用具有高精度的光纤光栅应变检测技术代替传统的应变片测量技术，并分析了其可行性。     

光纤Bragg光栅靶式流量传感器设计

基于工业流体流量测量技术、光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感检测技术与靶式流量计原理,针对单个光纤Bragg光栅传感系统对温度交叉敏感的问题,设计并且制作了一种基于双光纤Bragg光栅流量传感器。该传感器采用靶盘结构作为光纤Bragg光栅流量传感器的受力元件,对温度起到了补偿作用,并且有效地提高了应变测量灵敏度。实验表明,该流量传感器的线性误差为0.31%。     

应用光纤光栅和虚拟仪器的切削力测量技术

在分析光纤光栅应变传感器原理的基础上,针对切削力测量的需要,设计出了光纤光栅传感器各项参数,简化了测试仪器结构,避免了温度对测量精度的影响。在虚拟仪器平台上开发了测试数据处理和自动化管理的程序,介绍了LabVIEW环境中建立切削力经验公式的简单方法。     

采用光纤光栅传感器测量模型材料应变的原理和应用

应变是材料与结构的重要物理特性,最能反映结构局部特性,是材料和工程结构健康监测最为重要的参数。对材料应变测量,可以预知局部荷载的状态。光纤传感器具有灵敏度高、响应速度快、电磁兼容性强、无零漂、可靠性高、使用寿命长等特点。光纤光栅应变传感器是一种极具发展潜力和应用价值的应变传感器。研究了光纤光栅应变传感器的传感原理、应变传递规律及其在模型试验相似材料应变测量中的应用,测量得到的应变历程与实际物理过程相一致。     

光纤Bragg光栅应变计在500m口径球面射电望远镜工程索力监测中的应用

为了实时监测500m口径球面射电望远镜(FAST)索网支承结构的典型索力,避免传统索力监测方法对索网支承结构的影响和工作中的电磁干扰,提出了一种间接获取索力值的方法。该方法使用光纤布拉格光栅(FBG)传感器监测索头应变值来间接测量索力。测量时将FBG应变计与补偿温度计通过专用安装底座焊接于索头线性应变区域轴向,防止直接焊接对索头结构性能的影响;然后使用温度应变补偿法补偿温度变化对FBG应变计测量结果的影响。在索体出厂预张拉过程中对该方法进行标定得到相关索力换算公式系数,从而在实际工程应用中实现了索力的测量。试验结果表明,索力与索头应变线性拟合度高达0.98,实际测量中绝对误差均方差为1.38t,在FAST工程主索工作索力范围内相对误差优于3%,满足工程需求。该方法无电磁干扰,耐用性久,布线灵活简单,已成功应用于FAST工程中的316根典型主索的索力监测中。     

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。     

Polarization Maintaining Photonic Crystal Fiber sensor embedded in carbon composite for structural health monitoring

Use of Polarization Maintaining Photonic Crystal Fiber (PMPCF) for structural health monitoring (SHM) of composites has been proposed and demonstrated for accurate strain measurement with very negligible temperature sensitivity. Further, this newly proposed sensor has been compared with the conventional Fiber Bragg Grating (FBG) sensor used for SHM. It is established that the embedded PMPCF in carbon composite is the better choice with enhanced strain sensitivity and less temperature sensitivity compared to the embedded FBG sensor.     

用于光纤光栅曲线重建算法的坐标点拟合

以光纤布拉格光栅(FBG)曲线传感器在结肠中的形状检测为背景,提出了一种基于Frenet标架的坐标点拟合算法来提高光纤光栅曲线重建算法的精度。首先,将相互之间呈90°的四根光纤光栅贴在一根形状记忆合金(SMA Styrene Maleic Anhydride)基材周围,形成一根直径为3mm,长度为900mm的光纤光栅曲线传感器。接着,将该曲线传感器分别放置在毫米方格纸以及圆柱体上进行二维和三维曲线的重建。通过曲线重建软件读出每个数据采集点的重建坐标值,并与通过方格纸读出的标准坐标值对比得出重建误差,从而得出两种坐标点拟合方法的优劣。结果表明:使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法可有效提高重建精度。对提出的算法与常用的曲线重建算法进行了比较,结果显示:在接近光纤光栅应变极限的情况下,使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法在单方向上能够比原算法平均减小约3.5%~5.5%的误差,为进一步提高光纤光栅形状传感系统的精度奠定了基础。