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光纤光栅应变传感及扩大应变传感范围的技术研究

沈小燕  
【摘要】:光纤光栅以光纤为基础介质,以光纤中传播的光波波长变化为工作原理,在现代化光通信及光传感领域中广泛应用。光纤光栅作为传感元件,可测量应变、温度、位移、加速度、湿度等物理量,同时具有体小质轻、抗腐蚀、抗电磁干扰、全光传输等优点,受到人们的青睐。其中,光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)使用最多,其研究主要集中于光纤光栅的创新应用和解调技术研究。 论文以光纤光栅为研究对象,对其传感解调技术、在复合材料工程中的应用和在大应变测量方面的应用做了相关研究。主要研究内容和工作如下: 1.从应变测量技术出发,总结分析了光纤光栅在应变测量方面的技术和应用;总结分析了大应变测量技术以及采用光纤光栅实现大应变测量的国内外现状。明确了课题研究方向和意义。 2.以光纤光栅的光传输分析理论为基础,推导了光纤光栅在轴向均匀和非均匀应变下的传感模型;对光纤光栅传感器的应变传递规律进行了模拟分析和讨论;对光纤光栅传感解调技术进行了总结并重新分类。采用相对匹配解调方案制作应变解调仪,实现其集成化、数字化和自动化,解调仪单点应变测量范围为260ε、显示分辨力达0.01ε,重复稳定度达±4ε;提出并采用参考信号法解决双值问题,并由LabVIEW软件实现。 3.光纤光栅应变传感技术应用于复合材料工程中。利用埋入式光纤光栅研究碳纤维加强筋/环氧树脂基复合层板的固化残余应变的生成规律及其在厚度方向上的分布规律;对复合层板实验梁进行疲劳测试,获得的疲劳温升最高达2.3°C,稳定温升为1°C,疲劳应变范围为5ε~20ε;同时研究疲劳载荷频率和材料厚度位置对疲劳温升和疲劳应变的影响。研究了用于测量光纤光栅轴向非均匀应变的光学低相干反射技术,并通过双悬臂梁分层实验加以验证。 4.提出采用复合结构、悬臂梁结构、基本梯形结构及变梯形结构(折臂结构、多折臂结构、圆弧结构、双半圆结构、阶梯结构)来实现光纤光栅大应变测量。运用有限元分析方法对基本梯形结构及变梯形结构进行初步的分析和讨论;对复合式和悬臂梁式光纤光栅大应变传感器进行理论和实验研究,前者的结构应变传感灵敏度为0.069,理论可测应变范围达14.5%,后者的结构应变传感灵敏度为0.00252,实验应变测量范围可达50%。 5.利用单位荷载法推导了基本梯形结构的应变传感模型;设计制作了脚插式、横夹持式和竖夹持式下的梯形结构光纤光栅大应变传感器试样,实验表明脚插式试样传感结果与理论推导相符,两种夹持式试样具有灵敏度增敏效果,约为理论值的5倍左右,分析了增敏原因;实验中各试样均达到了20%的应变测量预期目标,最优传感性能为:在-10.8%~21.6%的应变测量范围内,线性度0.9%,回程误差0.7%,重复性误差0.4%。对变梯形结构如折臂结构进行实验研究,表明其具有比基本梯形结构更好的大应变测量能力,应变测量范围已达54.5%。 论文主要的创新点: 1.采用单位荷载法理论推导了梯形应变结构的应变传感灵敏度模型,同时采用有限元方法验证该模型并建立梯形结构的优化设计模型。 2.以梯形应变结构的应变传感灵敏度模型为指导,设计并制作了脚插式、横夹持式和竖夹持式的梯形结构的光纤光栅大应变传感器试样,获得了20%以上的应变测量范围。 3.光纤光栅应变传感技术应用于复合材料工程中,采用埋入式光纤光栅对碳纤维加强筋/环氧树脂基复合材料实验梁在疲劳测试中的温升和应变生成规律做出了创新性实验研究,尤其首次研究了疲劳载荷频率(0.1Hz~20Hz)对疲劳应变的影响,获得了该复合材料在低频疲劳载荷下的优秀性能结果。 4.在采用相对匹配解调方案制作光纤光栅应变解调仪的过程中,提出参考信号法来解决双值问题,并通过LabVIEW软件实现。


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