基于光纤Bragg光栅传感器的疲劳裂纹扩展的研究

利用光纤Bragg光栅(FBG)传感器,监测了预裂纹Al合金试件在循环载荷作用下的裂纹扩展状况.借助裂纹处有限元模型分析得出的应变场分布计算了裂纹扩展到不同长度时FBG的反射谱,计算结果与实验结果基本吻合.研究结果表明:FBG传感器不但可以用来监测疲劳裂纹的扩展,而且在一定程度上可以判断出裂纹顶端所处的位置.     

内置光纤光栅传感器的智能索可靠性研究

将特制的光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器局部布置于缆索连接筒部位的外层钢丝上,成功实现可对自身索力及温度进行实时在线监测的智能缆索.需进一步对智能缆索内置传感器可靠性进行研究.模拟缆索上桥所受交变应力荷载情况,按照国家标准GB/T18365-2001中疲劳性能要求对智能缆索进行疲劳,研发的智能缆索满足国标中疲劳和静载性能要求;智能缆索在200万次疲劳过程中及200万次疲劳后,其内置的光纤光栅传感器的传感信号均有效.     

光纤布拉格光栅应变传感器的灵敏性及疲劳可靠性研究

分别采用金属和聚合物材料研究了封装材料对布拉格光纤光栅(FBG)传感器灵敏性的影响，并通过加速疲劳实验对传感器安装工艺的疲劳可靠性进行了研究。结果表明：焊接安装的金属封装FBG应变传感器具有良好的灵敏性及其长期稳定性，是海洋结构、桥梁等动载环境下工作的结构长期安全监测的理想器件。     

光纤光栅传感器监测混凝土简支梁裂缝的实验研究

以结构健康监测系统为研究背景,研究了光纤布拉格光栅(FBG)传感器。对FBG的研究起步并成熟于通信领域,而对其在土木工程领域的研究尚处于发展阶段。为了进一步促进FBG传感器的发展,推广其在工程中的应用,通过在混凝土简支梁的底部布置经纤维增强复合塑料(FRP)封装的准分布式FBG传感器和未经封装的准分布式FBG传感器,研究了准分布式FBG传感器对钢筋混凝土构件裂缝出现时的有效感知及定位问题。实验结果表明可实现裂缝的大致定位,经FRP封装的FBG传感器相对于裸光纤光栅,其应变灵敏度有所下降。     

混凝土裂缝分布式光纤光栅监测能力研究

深入分析了光纤布喇格光栅(FBG)裂缝传感原理,研究了基于FBG传感的分布式裂缝监测技术。为验证FBG裂缝传感的可行性,进行了混凝土模型试验发现,FBG能准确监测到裂缝发生和扩展及其过程中的定量规律;串联在一根光纤上的多只FBG传感器能进行分布式监测,在不知裂缝的具体位置和走向的情况下,能监测混凝土结构裂缝的发生和发展。     

FBG传感器和电阻应变仪的振动监测特性

将光纤布拉格光栅（FBG）传感器和电阻应变片固定在等强度梁上,研究了两种传感器的振动监测性能,总结比较了其优缺点。通过固定在等强度梁末端的电机来产生振动,测试了FBG 传感器和电阻应变片监测到随时间变化的振动信号,并分析了振动信号经傅里叶变换（FFT）的频谱图。实验结果表明,FBG 传感器和电阻应变片监测到振动信号的时域图基本一致,但是FBG 传感器监测到振动信号经FFT 变换的频谱图出现较明显的二次谐波和三次谐波,电阻应变仪监测到的频谱图出现的谐波较弱。在实验中还观察到,在有电磁干扰情况下,电阻应变仪监测不到振动信号,而FBG 传感器正常工作,不受电磁干扰。     

基于光纤光栅的传动齿轮模态分析

利用光纤光栅传感器实现了基于快速应变响应的传动齿轮模态分析。基于波分复用技术组建光纤光栅传感网络,根据光纤光栅的应变响应数据完成齿轮的应变模态分析,并与基于声压传感器的齿轮试验模态分析结果进行对比,固有频率相对误差小于0.1%。为了实现光纤光栅传感器的快速应变采集,搭建了一套光纤光栅快速解调仪。该解调仪是基于体相位解调的单通道快速解调仪,采样速率最高为35kHz,使用LabVIEW编写了光纤光栅信号采集和解调软件。基于光纤光栅的齿轮应变模态分析方法附加质量小,比传统加速度传感器测量结果更准确,能够适应小型齿轮箱内部复杂和恶劣的测量环境,具有一定的应用价值。     

压电智能复合材料层板冲击压电响应仿真分析

基于1阶剪切变形理论,采用有限单元方法,建立了压电智能复合材料层板有限元模型,采用低速冲击对其压电传感器的瞬态响应进行了仿真分析.结果表明,各压电传感器响应信号特征与各传感器的布置位置、冲击荷载位置及层板的边界条件等因素有关.综合分析各传感器响应信号并进行特征提取,可建立传感器响应与冲击位置间的非线性关系,从而实现结构加载损伤位置的自诊断.     

光纤F-P腔高灵敏加速度传感器理论模型研究

以提高光纤波长复用型加速度传感器的灵敏度为目标,分析光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)加速度传感器的增敏思路,阐明FBG加速度传感器灵敏度的增敏瓶颈和固有制约因素,提出波长复用型光纤法布里-珀罗(Fabry-Pérot, F-P)加速度传感器物理模型,理论研究其加速度传感原理,推导加速度传感器谐振频率和灵敏度的解析表达式,深入分析系统的结构体刚度、干涉级次、腔长对加速度传感器灵敏度和谐振频率的影响因素,并对比分析在不同系统刚度下FBG和F-P加速度传感器的灵敏度响应特性。由于灵敏度与谐振频率相互制约,进一步引入品质因子对比分析FBG和F-P加速度传感器的综合性能。在谐振频率为205 Hz时,传感器灵敏度高达198 nm/G,比基于FBG的传感器灵敏度理论上高出约2个数量级,并提出F-P型加速度传感器波长复用方案。理论分析表明F-P型加速度传感器与FBG型相比具有独特的优势,为光纤型加速度传感器的增敏和波长复用提供了新思路,并奠定理论基础。     

利用剪滞法对包覆光纤布拉格光栅应力传递规律的研究

报道了一种分析包覆光纤布拉格光栅(FBG)传感器应力传递规律的方法。利用剪滞法理论将光纤布拉格光栅和其包覆材料看成一种复合体,从力学角度分析光纤布拉格光栅被包覆后的应力传递规律,得到当光纤布拉格光栅一定时,被包覆光纤布拉格光栅的应力传递系数仅与包覆材料的尺寸和杨氏模量有关。采用三种不同的包覆材料(聚合物、毛细钢管和毛细铜管)对光纤布拉格光栅进行了多个半径的封装,验证包覆光纤布拉格光栅的应力传递系数,实验证明,理论结果和实测数据基本吻合。     

海洋FBG压力及温补传感器温度响应一致性研究

为满足船载拖曳式全光纤海洋温深剖面连续测量的要求,测量海水深度的光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器利用FBG温度传感器作为其温补传感器。由于二者对温度同时敏感且对海水温度的响应时间存在不一致性,导致在拖曳测试海水压力时有所偏差。针对这一问题,本文对传感器的温度响应一致性进行分析研究。通过对FBG温度传感器的外管加装绝热材料,使其与FBG压力传感器的温度响应时间接近一致。通过海试验证,FBG压力传感器与标准传感器ALEC(亚力克)具有较高的测量相关性。     

A Fiber-Optic Bragg Grating Seismic Sensor

Here we present a fiber-optic seismic waves sensor based on in-fiber Bragg gratings. Fiber-Bragg-grating (FBG) sensors have been demonstrated to have very high sensitivity to dynamical strain and very extended dynamical response. The seismic sensing system is based on the integration of three FBGs' dynamical strain sensors in a mechanical structure acting as an inverse pendulum. Polar symmetry of the mechanical system and 120deg placement of the FBG sensors could enable directional capability of the seismic sensor. Design, manufacturing, and preliminary dynamical testing of the seismic sensor are discussed.     

一种增敏型光纤光栅应变传感器的开发及应用

提出了一种基于两端夹持封装技术的光纤光栅应变传感器.该传感器具有应变放大机制,测量精度超过了裸光纤光栅,而且通过改变封装工艺参数可以调节应变传递率.这种传感器既可以埋入结构中也可以通过辅助构件构成夹持式传感器.利用万能试验机对该传感器进行了应变性能标定实验,研究了不同基体材料上传感器的应变灵敏特件,并与理论分析结果作了对比.这种光纤光栅应变传感器在高层大厦模型地震试验中进行了检测.试验结果表明,基于两端夹持封装技术光纤光栅传感器具有良好的灵敏度、低噪、牢固可靠以及测量长期稳定性好的优点,是动载环境下工作的结构长期安全监测的理想器件.     

低温环境下FBG温度传感特性研究

在低温环境中,光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)材料的热膨胀系数和热光系数会发生改变,从而影响其温度传感特性。文章通过实验研究了裸光纤光栅传感器和黄铜管封装的光纤光栅传感器在低温下的温度传感特性。结果表明,在80~300 K温度范围,裸FBG温度传感器的灵敏度为6.43 pm/K,线性度为0.974,在80~230 K温度范围,温度与光纤光栅的中心波长呈现非线性关系;黄铜管封装的FBG温度传感器,在整个温度范围内灵敏度可达26 pm/K,线性度为0.996,较裸FBG温度传感器均有较大提升。对比实验表明,对光纤光栅进行封装,可以提高其温度灵敏度和线性度,改善温度传感特性。     

压电薄膜振动传感器灵敏度与频响标定研究

近年来,压电薄膜振动传感器发展十分迅速,已被广泛应用于结构健康监测、医疗电子、加速度、器件振动等测量。该文针对压电薄膜振动传感器的性能检测,设计了一套以可调频激振台作为核心的压电传感器灵敏度与频响特性标定装置。振动信号由可调频激振台提供,标准压电传感器与自制传感器同步进行振动测试。测试结果表明,该装置可方便地实现对被测传感器灵敏度和频率响应特性的标定。标定系统整体设计简单,操作方便。同时系统体积小,稳定性高,测量误差小,便于对各种类型的压电振动传感器进行检测,具有很强的实用性和广阔的发展空间。基于该系统对自制压电薄膜传感器性能的标定,研究了压电薄膜传感器灵敏度的影响因素。     

高灵敏抗冲击光纤光栅微振动传感器

针对高灵敏度的光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器的抗冲击可靠性,设计了一种具有限振结构的双悬臂梁型FBG振动传感器,理论分析了结构参数与灵敏度和振动位移的关系,进行了结构优化,确定了限振幅度。制作了限振幅度约为90m的传感器样品,对传感器的加速度灵敏、频率响应、抗冲击性能进行了测试,结果表明,传感器的加速度灵敏度达到525 pm/g,谐振频率约为66 Hz,传感器经过50 g反复冲击,频响特性具有良好重复性,表明传感器具有较高的可靠性。     

压电微位移致动器的研制及其应用

文章是以光纤光栅传感系统中匹配FBG光纤解调为背景展开研究的,对压电陶瓷的材料特性、压电陶瓷驱动电源的软硬件设计和压电微位移致动在匹配FBG光纤解调中的应用等问题进行了探讨,开发了实用的压电微位移致动器。针对压电陶瓷的容性负载特性,提出了驱动电源的设计方案,完成了驱动电源软硬件设计,构建了直流稳压电路、PA78组成的混合放大电路。实验表明,所研制的压电微位移致动器具有良好性能,可应用于光纤光栅传感系统的匹配FBG光纤解调中。     

光纤光栅振动传感器结构设计研究

传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。振动信号的检测在工业尤其在石油勘探方面有着重要作用。其中,基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)的振动传感器具有诸多优点而备受关注。简单介绍了FBG振动传感器的原理,并根据结构类型对近几年研发出的FBG振动传感器进行了分类和总结。阐述了四种FBG振动传感器的优缺点,并重点对悬臂梁式和柔性铰链式结构的FBG振动传感器进行了总结。接着从三个方向对现有的FBG振动传感器进行了分析并提出了优化建议。最后对FBG振动传感器的发展做出了预测与展望。     

基于Pareto多目标优化的光纤Bragg光栅传感网络的波长分配

针对现有波分复用(WDM)的光纤Bragg光栅(FBG) 传感网络的复用瓶颈,运用Pareto多 目标优化理论,建立了基于带宽重叠技术的FBG传感网络优化模型。通过非支配排序遗传算 法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)进化算法求解Pareto 最优曲线,为网络中的每个FBG传感器合理地分配Bragg波长的工作范围,以最小的光谱重叠 程度换取 光源带宽资源的最大节约。仿真和实验结果表明,得到Pareto最优曲线为不同程度的光 谱重叠找到了最优的Bragg波长配置方案,有效地提高了FBG传感网络的WDM能力。     

Doppler effect-based fiber-optic sensor and its application in ultrasonic detection

Based on the Doppler effect of light wave transmission in optical fiber, Doppler effect-based fiber-optic (FOD) sensor possesses outstanding advantages in acquiring vibration/acoustic waves with high sensitivity. Furthermore, when shape of the FOD sensor was properly selected, its sensitivity was bonding direction-independent, namely non-directionality. In this paper, characteristics of the FOD sensor were investigated for the purpose of ultrasonic detection. A piezoelectric wafer was applied as an actuator to excite Lamb waves, a kind of ultrasonic wave, in an aluminum-alloy plate. Features of the ultrasonic wave signals, collected using a number of spiral FOD sensors with various inner diameters and outer diameters, were compared to investigate characteristics of FOD sensor. Amplitude curves of the FOD sensors were hereby obtained for the future applications in ultrasonic acquisition. The results demonstrated that sensitivity of the spiral FOD sensor with longer optical fiber length was higher than that with shorter fiber length.