许明妍[1]2004年在《光纤布拉格光栅应变测量系统研究》文中提出本文以光纤布拉格光栅应变测量系统的设计和实验研究为目的,在对国内外研究现状进行了深入分析的基础上,归纳了当前光纤光栅传感器的发展趋势及在实际应用中需要解决的几个主要问题,并针对光纤布拉格光栅应变测量系统的实际需要,对光纤光栅应变测量系统的各个环节进行了研究。首先,论文从光纤布拉格光栅应变测量系统的理论模型入手,着重对光纤光栅应变传感特性进行了系统的分析,论证了光纤布拉格光栅作为传感头用于应变测量的优越性;在分析比较了常见的信号解调技术的优缺点基础上,提出应用光纤马赫-曾德尔干涉仪与相位生成载波调制解调技术相结合的方法来实现光纤光栅传感信号的解调,通过详细的理论分析论证了系统方案的可行性;并指出了限制光纤马赫-曾德尔干涉仪动态范围上限的关键因素。其次,对光纤布拉格光栅应变测量系统进行了实验方案设计。通过光纤布拉格光栅应变特性的测试实验,验证了光纤布拉格光栅中心反射波长与应变的线性关系;对应变测量系统进行了实验方案设计和仿真实验研究,证明了系统所设计的解调方案能够实现系统的高精度测量。最后,对实验系统进行了分析。基于光纤光栅的温度响应特性,提出 用一个参考光栅来进行光纤光栅应变测量温度补偿的设计方案,并详细推导了其补偿原理,证明了该方法的可行性;此外,系统在进行温度补偿的同时也消除了外界干扰对应变测量的影响。
蔡亚楠[2]2005年在《光纤光栅微应变传感系统的设计》文中认为本文以光纤光栅F-P干涉仪作为探头设计了应变测量系统,并进行了理论和实验研究。在对国内外研究现状进行了深入分析的基础上,归纳了当前光纤光栅传感器的发展趋势,并针对光纤光栅微应变传感系统的实际需要,从光纤光栅传感探头设计、光纤光栅应变传感调谐结构的设计及其重复性、数字信号处理叁个方面展开研究。 论文从耦合模理论入手,分析了光纤布拉格光栅的传感机理,建立光纤光栅应变传感模型;分析比较了常见几种复用技术和信号解调技术的优缺点,提出应用光谱分析仪对信号进行解调,采用由电磁铁控制等厚叁角悬臂梁的方式为传感探头提供力,从而产生应变,通过理论分析和实验研究证实了系统方案的可行性。 文章详细地推导了光纤光栅F-P干涉仪的理论传感模型,并论证了其在测量微应变方面独特的优势,特别对FBG传感头的各项性能指标进行了具体分析。在调谐力的产生方面,具体分析比较了现有的几种常用方法,最后设计了一种电磁控制调谐的传感机构,并给出调谐结构的数学模型,通过仿真实验证实能够提供给光纤光栅F-P干涉仪探头很好的调谐力,重复使用性较强。 进行了光纤布拉格光栅微应变特性实验研究,采用先进的小波滤波的方式对传感信号进行消噪,得到很好的实验结果。
张翔[3]2016年在《基于光纤光栅传感的火炮关重件应变测试研究》文中认为对火炮关键部件与重要部件(简称关重件)的动态应变过程研究是提高火炮性能的重要方法之一,准确的测试出火炮发射关重件瞬时应变大小,可以为火炮武器系统的结构强度与刚度设计和疲劳损伤分析提供重要参考依据。传统的有限元分析法由于对火炮实际结构进行了部分简化,很难对整个装配体系进行分析,而且这种计算结果常常因为无法提供测试结果对比而缺乏说服力,而基于电阻应变片的测试方法很容易受到温度、湿度等环境因素的影响,并且电阻应变片和电桥电路很容易受到电磁干扰影响,该测试方法只适合于一般环境的测量,在恶劣、复杂环境的测量难以获得准确的结果。本文通过研究基于光纤光栅传感的应变测试方法,首次提出利用光纤光栅传感技术进行火炮关重件应变测试。基于光纤光栅传感设计并开展万能实验机拉伸实验、等强度悬臂梁实验和应变与温度的分离测量实验,通过对比基于电阻应变片、基于数字图像和基于光纤传感的叁种应变测试方法的实验结果,验证了光纤传感技术在应变测量领域的可行性与准确性。在此基础上开展霍普金森压杆超高速应变测试和开展某火炮样机实弹射击关重件动态应变测试,完成了不确定度评定,验证了光纤光栅应变测试数据的准确性与测试方法的优越性。本文首次在国内利用基于光纤光栅传感的应变测试方法开展火炮关重件动态应变测试,不仅为火炮武器系统的结构强度与刚度设计和疲劳损伤分析提供重要参考依据,同时突破了传统应变片测试方法的抗干扰难题,为电磁炮等具有较强电磁干扰源的武器装备关重件应变测试提供了创新方法,丰富了火炮应变测试的技术手段。
何建平[4]2010年在《全尺度光纤布里渊分布式监测技术及其在土木工程的应用》文中指出重大土木工程结构具有体积大、覆盖面广、造价高、服役环境恶劣、设计寿命长等特点,其结构损伤往往表现为机理复杂、耦合影响因素多、时变演化效应显着、损伤位置隐蔽等特性,满足工程需要的高性能全尺度监测手段一直是结构健康监测的客观需求。本文围绕分布式光纤布里渊(Brillouin Optical Time Domain Analysis/Reflectometry,简称BOTDA/R)的感知特性和温度补偿方法、高性能光纤封装传感探头、融合全尺度光纤布里渊和局部高精度光纤光栅(Fiber Bragg Grating)的共线传感网络、基于光纤与FRP(Fiber Reinforce Polymer)复合的全分布式智能结构部品以及基于全尺度分布式监测手段的结构损伤探测等问题展开了较系统研究。主要研究内容包括:首先,在介绍光纤布里渊传感工作原理的基础上,理论分析和试验探讨了光纤布里渊温度和应变感知的耦合作用,提出了布里渊应变感知绝对温度补偿方法,并进行了试验验证。其次,通过大量对比试验,归纳和总结了目前可能用于布里渊传感的系列封装传感光纤的剪切力学性能、轴向拉伸极限应变、环境适应性及其相应的感知特性,为工程应用传感光纤的选择提供了依据。这些封装光纤包括通信用普通裸光纤、碳涂覆光纤、聚酯封装光纤、FRP封装光纤等。第叁,提出融合全尺度光纤布里渊测试技术和局部高精度光纤布拉格光栅传感技术的共线集成传感网络系统,分析了光纤光栅对光纤布里渊传感信号的影响;为了提高光纤布里渊测试结果的精度,发展了实测布里渊信号二次信号处理的小波分析和洛伦兹数据拟合方法。此外,探讨了长周期光纤光栅监测腐蚀的可行性及其与光纤布里渊测试技术复合的有效性。第四,针对不同布设工艺要求,研制开发出系列可大规模分布的工程化光纤布里渊传感探头和共线传感探头部品。在此基础上,将共线传感探头部品分别与平行钢拉索和钢绞线复合,发展了一套索式结构的全尺度长期监测技术。进而,提出了一种钢绞线的长期预应力损失监测技术,并通过长期试验验证了该技术的有效性。最后,利用全尺度分布式监测手段对结构损伤探测问题展开了较系统研究,包括:监测了6根分别布设BOTDA/R探头和共线探头的钢筋混凝土梁在静力加载过程中的裂缝、钢筋滑移和应变分布等信息;试验验证了光纤布里渊传感技术监测输油管在冻胀融沉下变形特性的有效性;将研制开发的全分布式探头在施工过程中分别布设到广州体育西路某人防工程和大庆抽油井套管,监测了工程结构应力热点位置施工过程的应变增量、分布和在役期间的变化情况。
辛灿杰[5]2017年在《超导材料低温力学实验及多场性能测试仪器原型机研制中的若干关键技术研究》文中进行了进一步梳理随着大科学工程装置的快速发展,超导磁体结构及其相关设备呈现出大型化、结构复杂化、高载流与高储能等特点。超导材料及其结构的设计与运行,磁场、温度、电流是叁个相互制约的主要临界态参量,在复杂多场环境下如何优化超导材料的临界状态,使得超导材料与结构安全与稳定运行,是超导结构与工程应用关注的热点基础问题。由于超导磁体与结构运行于大变电流、强变磁场、极低温/变温等复杂多场环境,多物理场间的相互影响与作用导致超导材料基本物性参数发生本质的变化,单纯基于单一温度场下的材料结构参数的工程设计通常难以满足高品质超导磁体系统的研发要求。因此,在极端多物理场环境下,开展各类实用超导材料结构参数的实验表征与检测方法,以及多场测试仪器平台的研制均具有极为重要的科学与工程意义。本学位论文运用实验室已研发成功的低温/变温(77K~室温)超导材料力学性能测试系统,开展了超导材料的低温力学性能与温度的依赖关系的测试,并发展了极端环境下的应变测试方法;进一步地,介绍了自主研发设计的无液氦4.2K多物理场耦合测试系统原型机及其核心部件的研制及优化情况,并对该系统最终的各项功能的调试结果进行了实验测试与分析等。1、开展了低温环境下超导材料力学变形的基本测量方法研究。在低温环境下超导材料变形低温应变片和光纤测量方法介绍的基础上,开展了高温超导带材的埋入式光纤测量方法的研究,建立并完善了低温环境下应变片测量和布拉格光纤光栅测量技术的温度补偿方法。基于两种低温下的应变测试方法实现了部分超导材料低温环境下的变形实验测量和对比性研究,并详细给出了低温环境下的应变测试实验误差分析以及降低误差的实验操作环节改进技巧等。2、建立了一种基于热应变的低温环境下超导丝材/带材的低温区的热膨胀系数测试新方法并实施了实验研究。从低温/变温下超导材料的热应变测量出发,采用低温下力学拉伸方式建立了一种超导材料热膨胀系数的测试方法,并对低温超导材料NbTi/Cu,Nb3Sn/Cu及Bi2212/Ag高温超导材料的热膨胀系数测试结果进行了分析及讨论,相关结果与已有文献中基于物理方法的测量结果吻合良好。3、系统测试了各类现有已进入工程应用的超导材料低温温区下的力学性能,并初步建立了部分超导材料力学参数基础数据库。主要是基于实验室现有的低温/变温测试平台开展了较为系统的测试工作,首先进行了若干典型超导材料在低温/变温环境下的力学性能测试及结果讨论,进而从测试样品准备、重复性验证测试、对照性测试等先后完成了多达41种不同芯丝、铜超比的超导材料的低温区(77K-室温)的力学性能。经过汇总和集成,形成了初步的材料低温力学性能数据库,这对于超导材料和结构的设计和实际工程应用中选材和性能优化等方面具有重要的指导意义。4、参与开展了低温-电磁多场性能测试仪器原型机的研制工作和若干关键技术研究工作,实现了部分核心子系统部件的设计及优化,以及完成了原型机各项功能和性能的调试。对于研制的极低温-电磁多场性能测试仪器的研发思路及各子系统做了简要介绍,针对原型机研制过程中的两个核心子系统部件——低温真空箱体及冷屏和大电流加载超导引线的设计及优化开展了具体实施;最后针对原型机整体功能完成了初步的测试工作,测试结果显示该原型机系统各项功能性指标均能实现并达到设计了要求,为进一步的正式测试仪器研发积累了科学经验并提供了理论指导价值。
王于鹏[6]2015年在《基于热重生光纤光栅的超高温传感研究》文中提出光纤布拉格光栅(FBG)自诞生以来广泛应用于光纤通信和光纤传感领域,但耐高温特性一直是制约光栅推向高温应用的瓶颈。热重生光纤光栅是指通过等幅升温和恒温烘烤的处理方法使种子光栅高温擦除后重新生长的光栅,可以工作在1000℃以上的高温中且性质稳定,适用于超高温环境。本文主要对基于热重生光栅的超高温传感器进行了理论分析及实验验证。论文首先研究了在大温度范围中不同光纤直径热重生光纤光栅的轴向应变响应。通过化学腐蚀工艺,可以得到更高再生反射率(从43.7%到69.8%)的热重生光纤光栅,同时在大温度范围内(20-800℃)得到更高的应变灵敏度(从0.9pm/με增大到4.5pm/με)。提出了一种可以实现超高温环境中温度和应变同时测量的光纤传感器,该传感器由刻写在一根普通单模光纤上的位于两个通信窗口(1310nm和1550nm)的热重生光栅级联构成。一套标准的等温退火工艺获得种子光栅的重生。得到在0-1100με应变范围和25-900℃温度范围内,应变和温度的RMS误差分别为28.31με和4.1℃。提出了一种可以实现超高温环境中温度和应变双参量同时测量的光纤传感器。该结构由一对分别刻写在硼/锗共掺光纤和高掺锗光纤的重生光纤光栅级联而成。氢氟酸溶液化学腐蚀方法,减小高掺锗光纤光栅FBG2的直径,得到直径为90μm的FBG2。通过一套标准的热重生工艺,得到热重生光纤布拉格光栅RG1和RG2。该结构在20-800℃温度和0-1000με应变范围内的均方根误差分别只有4.6℃和19.9με,温度和应变的测试结果与通过矩阵模型建立的数据高度相符。实验验证了使用248nm准分子激光器刻写在单模光纤的啁啾光纤布拉格光栅热重生的可行性。通过在温度800℃、80分钟的热退火工艺处理,获得具有高强度、宽带宽、反射谱均匀的重生啁啾光栅(RCG)。实验结果显示,在25℃到1000℃的温度范围内,RCG无论是带宽还是反射强度都有稳定的、可重复性的光谱响应。
张松[7]2013年在《用于交通监测的FBG传感器长期性能和优化布设方法研究》文中研究说明随着经济的发展，高速公路在日常生活中的作用日益重要。为了保证高速公路的正常运营，需要随时掌握道路的健康信息及损害状况，传统的检测技术存在着种种弊端，亟需一种道路健康实时监测系统。FBG传感器已逐渐在交通监测中得到应用，然而高速公路的使用寿命长达十几年甚至几十年，因此，研究传感器埋设于路面后的长期使用性能具有重要的意义。论文采用两种不同的封装材料和方法对裸光栅进行封装，得到刚性（G型）和柔性（R型）传感器，进行拉伸标定，确定传感器的应变灵敏度。将传感器埋入SMA-13沥青混凝土试件中，进行静载标定、长期动载试验，并对传感器进行长期冻融试验，综合分析传感器长期使用性能。实验结果表明，G型传感器的灵敏度系数分别为1.492pm/με，1.552pm/με，R型传感器的灵敏度系数分别为5.833pm/με，4.642pm/με。两种传感器的灵敏度系数较裸光栅（1.1pm/με）均有一定的提高，R型传感器起到了更大的增敏作用。将两部传感器埋入试件中，其中心波长与外部荷载之间线性关系良好。长期动载过程中，两部传感器中心波长的变化规律均为前期迅速增长，中期继续变大，但增速变缓，后期波长不再变化。长期动载后，传感器中心波长与荷载之间线性关系依然良好，且与动载前相比灵敏度系数相差不大。G型传感器长期动载下的有效工作时间为254h，可抵抗车辙仪试验轮往返碾压6.4×105次，折合实际道路应用中的使用寿命为3.92年，R型传感器长期动载下的有效工作时间为240.5h，可抵抗车辙仪试验轮往返碾压6.06×105次，折合实际道路应用中的使用寿命为3.7年。传感器长期冻融循环前后中心波长与荷载之间具有较好的线性关系，灵敏度系数变化很小，低温环境下工作性能良好且稳定。将FBG传感器应用于道路监测中，需要研究其在道路上的布设工艺。论文结合轮迹横向分布频率曲线，优选出测量车速、车重时传感器的布设方法。研究表明，双排布设FBG传感器，且一排布置单部，另一排布置多部即可满足对行车车速、车重测量的要求。
周小陈[8]2015年在《基于光纤布拉格光栅传感器的结构动力学实验与参数辨识研究》文中提出随着空间技术的发展,对大型航天器的需求变得愈加迫切,大型化导致的结构轻质量、高柔性给航天器设计和应用带来了巨大挑战,因此如何实现对大型复杂航天器结构的在线模态参数辨识、实时健康监测以及控制变得至关重要。由于传统的结构动力学测量方法主要基于加速度传感器,而加速度传感器在质量、体积、线路布置以及信号抗干扰性等方面的局限,使其无法很好地适用于航天器结构的多点分布式实时测量。然而,光纤布拉格光栅传感器所具有的复用、轻质、不易受电磁干扰等特点却使其能够很好地适应航天器结构的在线测量和监测。本文研究了基于光纤布拉格光栅传感器的结构动力学实验及参数辨识方法,为航天器的动力学参数辨识、航天器结构的在线健康监测以及动力学特性设计提供理论支持和技术途径。本文的主要工作和研究结论归纳如下:(一)介绍了本文的研究背景和意义,对光纤布拉格光栅传感器在国内外的研究和应用现状、应变模态分析的研究现状、模态参数辨识的研究现状与进展,以及有限元模型修正研究概况进行了总结,为进一步开展基于光纤布拉格光栅传感器的结构动力学实验与参数辨识研究提供了基础。(二)总结了应变模态分析的基本理论。从位移模态引出应变模态的基本概念,推导了应变模态模型,并讨论了应变模态振型之间的正交性、应变频响函数矩阵的特点等,为进行结构应变模态实验及应变模态参数辨识提供了理论依据和前提假设。(叁)研究了光纤布拉格光栅传感技术,总结并分析了光纤布拉格光栅传感器对结构进行动应变响应测量的基本原理以及基本技术指标,探讨了光纤布拉格光栅传感器的动态响应特性,介绍并总结了光纤布拉格光栅传感系统涉及的光纤光栅解调技术和复用技术两项关键技术。在光纤布拉格光栅传感技术的基础上,本文提出了利用光纤布拉格光栅传感器对结构进行结构动力学测量的方法,设计并搭建了能同时测量动应变响应和加速度响应的实验系统,并给出了详细的实验步骤。(四)利用应变与位移的关系,建立了基于最小二乘复频域法的结构应变模态参数辨识模型,并提出了相应的辨识方法。根据基于光纤布拉格光栅传感器的结构动力学实验所得数据,分别辨识了不同猝发随机激励下的单输入多输出结构动力学系统应变模态参数和位移模态参数,并利用该方法辨识了仅输出系统的应变模态参数,并进行了对比分析。(五)提出了基于有限元模型修正的位移模态振型辨识方法。基于应变模态参数辨识结果对有限元模型进行修正,并通过修正后的有限元模型仿真得到更精确的位移模态振型,从而建立从应变模态至位移模态的转换关系,以解决光纤布拉格光栅无法直接测量结构位移模态参数的问题。以附加质量的梁结构为实验结构,利用基于序列径向基函数代理模型的优化算法对其有限元模型进行了修正。根据修正后的有限元模型仿真得到附加质量梁结构的位移模态振型,并与辨识出的位移模态振型进行了对比分析。结果表明,基于应变模态参数辨识结果的有限元模型修正可以有效提高有限元模型的准确性,从而能够仿真得到更为准确的位移模态振型。
赵哲[9]2008年在《光纤布拉格光栅液位传感器的实验研究》文中研究表明光纤布拉格光栅传感器因具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高、小巧等特点,被广泛应用到各个领域,并成为光纤传感领域的一个研究热点。本论文从液位测量技术的发展出发,先后总结了现有的主要液位测量方法,并归纳了国内外液位传感器的发展情况。在光纤光栅传感部分,重点介绍了光纤布拉格光栅的传感模型,并对应变传感、温度传感、应变和温度交叉敏感等问题进行了详尽的分析。在光纤布拉格光栅液位传感部分的设计中,对其整体方案进行了规划,并从压力弹簧管的应变原理出发,通过大量的理论推导,获得基于压力弹簧管的光纤光栅液位传感原理,得到由液位产生的压力与光纤布拉格光栅波长偏移量的线性关系。同时,对光纤光栅的温度补偿问题进行了一定探讨。在理论推导的基础上,本课题设计完成了基于C型压力弹簧管的光纤光栅液位传感器,完成了基于活塞式压力计、光谱分析仪以及LED宽带光源实验平台的搭建。通过温度传感实验,验证了光纤布拉格光栅温度传感特性,并得到与理论值较吻合的光纤Bragg光栅温度灵敏度系数;通过应变传感实验,证明了课题中制作的光纤光栅液位传感器具有较好的迟滞特性,重复性、线性特性等,其灵敏度约为0.671nm/MPa。论文中对光纤光栅解调技术做了一定的探讨,完成了以DSPTMS320VC5402为核心的光源及其驱动电路、光电探测部分、电源电路、复位电路、时钟电路、A&D转换电路等的设计,并进行上位机监控页面的仿真设计。
张东生, 开桂云, 曹晔, 姜莉, 罗建花[10]2005年在《具有温度补偿功能的光纤光栅传感解调系统》文中研究指明从理论和实验上研究了叁角形光纤布拉格光栅的温度特性,结果表明:叁角形光纤布拉格光栅谐振波长的温度变化率与普通光纤光栅的相同,并且其光谱形状不随温度的变化而改变。利用叁角形光纤光栅光谱的这一温度特性,设计了一种具有温度补偿功能的应变传感解调系统。该系统利用斜线光纤光栅将光纤光栅应变传感的波长编码信息转换为强度,并且用信号强度与参考光强度的比值作为应变的度量值。研究表明,应变与应变度量值成线性关系,同时系统具有温度补偿功能。在叁种不同的温度条件下,对悬臂梁的应变测试结果显示:在实验测量范围内,温度变化1 ℃导致的应变测量误差小于6微应变。由于采用信号强度和参考光强度的比值作为应变的度量值,避免了宽带光源的平坦度及波动对测量结果的影响。
参考文献：
[1]. 光纤布拉格光栅应变测量系统研究[D]. 许明妍. 燕山大学. 2004
[2]. 光纤光栅微应变传感系统的设计[D]. 蔡亚楠. 燕山大学. 2005
[3]. 基于光纤光栅传感的火炮关重件应变测试研究[D]. 张翔. 南京大学. 2016
[4]. 全尺度光纤布里渊分布式监测技术及其在土木工程的应用[D]. 何建平. 哈尔滨工业大学. 2010
[5]. 超导材料低温力学实验及多场性能测试仪器原型机研制中的若干关键技术研究[D]. 辛灿杰. 兰州大学. 2017
[6]. 基于热重生光纤光栅的超高温传感研究[D]. 王于鹏. 西北大学. 2015
[7]. 用于交通监测的FBG传感器长期性能和优化布设方法研究[D]. 张松. 南京航空航天大学. 2013
[8]. 基于光纤布拉格光栅传感器的结构动力学实验与参数辨识研究[D]. 周小陈. 北京理工大学. 2015
[9]. 光纤布拉格光栅液位传感器的实验研究[D]. 赵哲. 北京化工大学. 2008
[10]. 具有温度补偿功能的光纤光栅传感解调系统[J]. 张东生, 开桂云, 曹晔, 姜莉, 罗建花. 光学学报. 2005
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