光纖光柵應(yīng)變傳感及擴(kuò)大應(yīng)變傳感范圍的技術(shù)研究.pdf

1、光纖光柵以光纖為基礎(chǔ)介質(zhì),以光纖中傳播的光波波長變化為工作原理,在現(xiàn)代化光通信及光傳感領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。光纖光柵作為傳感元件,可測量應(yīng)變、溫度、位移、加速度、濕度等物理量,同時(shí)具有體小質(zhì)輕、抗腐蝕、抗電磁干擾、全光傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn),受到人們的青睞。其中,光纖Bragg光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)使用最多,其研究主要集中于光纖光柵的創(chuàng)新應(yīng)用和解調(diào)技術(shù)研究。
　　 論文以光纖光柵為研究對(duì)象,對(duì)其傳感解調(diào)技術(shù)、在復(fù)合

2、材料工程中的應(yīng)用和在大應(yīng)變測量方面的應(yīng)用做了相關(guān)研究。主要研究內(nèi)容和工作如下:
　　 1.從應(yīng)變測量技術(shù)出發(fā),總結(jié)分析了光纖光柵在應(yīng)變測量方面的技術(shù)和應(yīng)用；總結(jié)分析了大應(yīng)變測量技術(shù)以及采用光纖光柵實(shí)現(xiàn)大應(yīng)變測量的國內(nèi)外現(xiàn)狀。明確了課題研究方向和意義。
　　 2.以光纖光柵的光傳輸分析理論為基礎(chǔ),推導(dǎo)了光纖光柵在軸向均勻和非均勻應(yīng)變下的傳感模型；對(duì)光纖光柵傳感器的應(yīng)變傳遞規(guī)律進(jìn)行了模擬分析和討論；對(duì)光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)進(jìn)行

3、了總結(jié)并重新分類。采用相對(duì)匹配解調(diào)方案制作應(yīng)變解調(diào)儀,實(shí)現(xiàn)其集成化、數(shù)字化和自動(dòng)化,解調(diào)儀單點(diǎn)應(yīng)變測量范圍為260με、顯示分辨力達(dá)0.01με,重復(fù)穩(wěn)定度達(dá)±4με；提出并采用參考信號(hào)法解決雙值問題,并由LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)。
　　 3.光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料工程中。利用埋入式光纖光柵研究碳纖維加強(qiáng)筋／環(huán)氧樹脂基復(fù)合層板的固化殘余應(yīng)變的生成規(guī)律及其在厚度方向上的分布規(guī)律；對(duì)復(fù)合層板實(shí)驗(yàn)梁進(jìn)行疲勞測試,獲得的疲勞溫

4、升最高達(dá)2.3℃,穩(wěn)定溫升為1℃,疲勞應(yīng)變范圍為5με～20με；同時(shí)研究疲勞載荷頻率和材料厚度位置對(duì)疲勞溫升和疲勞應(yīng)變的影響。研究了用于測量光纖光柵軸向非均勻應(yīng)變的光學(xué)低相干反射技術(shù),并通過雙懸臂梁分層實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。
　　 4.提出采用復(fù)合結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)、基本梯形結(jié)構(gòu)及變梯形結(jié)構(gòu)(折臂結(jié)構(gòu)、多折臂結(jié)構(gòu)、圓弧結(jié)構(gòu)、雙半圓結(jié)構(gòu)、階梯結(jié)構(gòu))來實(shí)現(xiàn)光纖光柵大應(yīng)變測量。運(yùn)用有限元分析方法對(duì)基本梯形結(jié)構(gòu)及變梯形結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的分析和討論；

5、對(duì)復(fù)合式和懸臂梁式光纖光柵大應(yīng)變傳感器進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究,前者的結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感靈敏度為0.069,理論可測應(yīng)變范圍達(dá)14.5％,后者的結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感靈敏度為0.00252,實(shí)驗(yàn)應(yīng)變測量范圍可達(dá)50％。
　　 5.利用單位荷載法推導(dǎo)了基本梯形結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感模型；設(shè)計(jì)制作了腳插式、橫夾持式和豎夾持式下的梯形結(jié)構(gòu)光纖光柵大應(yīng)變傳感器試樣,實(shí)驗(yàn)表明腳插式試樣傳感結(jié)果與理論推導(dǎo)相符,兩種夾持式試樣具有靈敏度增敏效果,約為理論值的5倍左右,分析

6、了增敏原因；實(shí)驗(yàn)中各試樣均達(dá)到了20％的應(yīng)變測量預(yù)期目標(biāo),最優(yōu)傳感性能為:在-10.8％～21.6％的應(yīng)變測量范圍內(nèi),線性度<0.9％,回程誤差<0.7％,重復(fù)性誤差<0.4％。對(duì)變梯形結(jié)構(gòu)如折臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,表明其具有比基本梯形結(jié)構(gòu)更好的大應(yīng)變測量能力,應(yīng)變測量范圍已達(dá)54.5％。
　　 論文主要的創(chuàng)新點(diǎn):
　　 1.采用單位荷載法理論推導(dǎo)了梯形應(yīng)變結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感靈敏度模型,同時(shí)采用有限元方法驗(yàn)證該模型并建立梯形結(jié)

7、構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。
　　 2.以梯形應(yīng)變結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感靈敏度模型為指導(dǎo),設(shè)計(jì)并制作了腳插式、橫夾持式和豎夾持式的梯形結(jié)構(gòu)的光纖光柵大應(yīng)變傳感器試樣,獲得了20％以上的應(yīng)變測量范圍。
　　 3.光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料工程中,采用埋入式光纖光柵對(duì)碳纖維加強(qiáng)筋／環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)梁在疲勞測試中的溫升和應(yīng)變生成規(guī)律做出了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究,尤其首次研究了疲勞載荷頻率(0.1Hz～20Hz)對(duì)疲勞應(yīng)變的影響,獲得了該復(fù)