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《南昌大学》 2009年
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埋入金属结构的光纤Bragg光栅传感性能研究

冯艳  
【摘要】:金属结构在工业生产中有着广泛而不可替代的作用,光纤智能金属结构是国内外工程领域最活跃的研究热点之一。将光纤Bragg光栅(FBG)传感器埋入金属基体内部可以对结构的温度、应力/应变等进行实时监控并做出反应,从而提高金属结构的安全性和可靠性。成功地将FBG传感器埋入金属结构是非常困难而又富有挑战性的工作,也是实现FBG智能金属结构的首要问题,埋入金属结构后的FBG传感性能的研究是需要我们进一步探索的问题。 在国家973前期基础研究专项、国家自然科学基金、江西省自然科学基金等项目的共同支持下,本文对光纤化学复合镀和双金属镀层保护工艺、金属化保护后的FBG温度传感性能、埋入金属结构的方法及其埋入后FBG横力弯曲传感性能开展了一系列的研究。 首先,论文研究了如何实现光纤表面的化学复合镀Ni-P-ZrO_2和Ni-Cu双金属镀层保护,通过大量实验得出了优化的化学复合镀Ni-P-ZrO_2和化学镀Cu的工艺。化学复合镀Ni-P-ZrO_2的工艺如下:硫酸镍(NiSO_4·6H_2O)25克/升,次亚磷酸钠(NaH_2PO_2·H_2O)20克/升,硼酸(H_3BO_3)20克/升,丙酸(C_3H_6O_2)20毫升/升,ZrO_2微粒1-3克/升,温度为86℃,PH值为4~6,搅拌方式为间接间断晃动,搅拌强度为20-30次/小时。化学镀Cu的工艺如下:硫酸铜(CuSO_4·5H_2O)10克/升,酒石酸钾钠(NaKC_4H_4O_6·4H_2O)40克/升,氢氧化钠(NaOH)8克/升,碳酸钠(Na_2CO_3)2克/升,氯化镍(NiCl_2·6H_2O)1克/升,37%甲醛(HCHO)20毫升/升,PH值为12,温度为30℃。 其次,论文在比较分析现有的光纤传感器埋入金属基体方法后,经实验验证得出:钎焊连接的工艺方法是适合于金属镀层保护的FBG传感器埋入金属基体的方法,制备了镀镍光纤埋入金属基体后的金相样件,表明钎焊埋入方法是完全可行的,成功检测到了FBG传感器埋入后的温度传感信号,为实现FBG智能金属结构铺垫了基础。 再次,论文应用弹性力学和材料力学基本原理建立了带有金属保护层(单金属镀层和双金属镀层)的FBG传感器温度传感模型,分析了金属镀层各参数对FBG温度传感性的影响,从理论上解释了金属镀层对FBG传感器的温度增敏原理,并提出镀层温度增敏效率这一参数来衡量金属镀层对提高FBG温度传感灵敏度的作用。论文提出:选择金属镀层时,不仅要从提高FBG的温度灵敏度系数方面考虑,还要兼顾镀层的温度增敏效率,没有必要盲目增加镀层厚度。温度传感实验分三组进行:第一组实验主要验证铜层对金属镀镍FBG的温度增敏作用,实验结果表明,铜层的加入确能提高FBG的温度灵敏性;第二组实验考察Ni-Cu双金属镀层的不同厚度组合对FBG温度传感性能的影响,实验结果与所建立的温度模型的误差在5%以内,表明该模型是合理可靠的;第三组实验主要考察Ni-Cu双金属镀层的FBG在钎焊埋入金属结构后的温度传感性能,结果表明,钎焊埋入后,Ni-Cu双金属镀层FBG温度传感滞后较埋入前有所缓解,可以用埋入前的理论温度灵敏度系数来预测埋入后FBG的温度传感性能。 最后,论文研究了金属化FBG传感器钎焊埋入金属基体后,横力弯曲引起FBG传感器波长变化的机理,建立了FBG受到横力弯曲时的应力传感模型,分析了保护层、钎料层、埋入位置及其埋入误差对其传感性能的影响。论文提出尽量选取弹性模量大且厚度薄的保护层以及弹性模量低的钎料层,并且尽可能在靠近集中力作用点且埋入高度应远离中性层的位置处埋入FBG传感器。三点压弯实验表明,镀镍FBG钎焊埋入金属基体后的横力弯曲传感性能与压力传感模型预测结果基本一致。
【学位授予单位】:南昌大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TP212

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