基于FBG传感器的固体火箭发动机结构健康监测技术

讨论光纤布拉格光栅(FBG)传感技术用于固体火箭发动机结构应变场、温度场和损伤状况健康监测的可行性。分析了利用FBG传感器组成固体火箭发动机结构健康监测系统的关键技术问题,包括光纤传感器的工艺集成,光纤传感网络的最优化布置,分布式传感器信号的解耦与处理等,并给出一些研究结论和初步解决方案。基于FBG传感器的健康监测系统在固体火箭发动机领域显示了良好的应用前景。     

钢筋锈蚀的光纤光栅监测

基于光纤光栅应变中心波长会发生漂移的原理,探讨了一种新的光纤光栅腐蚀传感器.设计了布拉格光栅来监测在役钢筋的锈蚀,通过光纤光栅的应变来监测钢筋锈蚀过程.单独设置一根光纤光栅来测量温度引起的光栅应变.通过两根光纤光栅监测应变,可分离出钢筋由于锈蚀所引起的体积变化.这种光纤光栅锈蚀传感器通过监测光栅波长随钢筋锈蚀漂移直接测量钢筋锈蚀程度,而且不受锈蚀因素的影响,可用于混凝土结构中钢筋锈蚀早期的监测.     

基于级联长周期光纤光栅的光纤布拉格光栅解调系统

提出了一种基于级联长周期光纤光栅的光纤布拉格光栅解调系统.级联长周期光纤光栅作为边沿滤波器,利用它的一个线性区监测单个光纤布拉格光栅传感信号.该系统具有结构简单、价格低等优点,但易受光源抖动及系统其他不稳定因素等带来的系统噪声的影响.为消除系统噪声带来的不利影响,对该系统进行了改进.改进系统利用级联长周期光纤光栅的两个线性区同时监测两个光纤布拉格光栅传感信号.分别用原系统及其改进系统对温度进行监测,实验的温度测量范围为-70～-115℃.原系统的灵敏度为0.49 mV/℃,温度分辨率为0.5℃;改进系统的灵敏度为0.86 mV/℃,温度分辨率为0.3℃.实验结果表明改进系统能有效消除系统噪声,提高系统的精度.     

基于光纤光栅的风机叶片应变与振动监测技术

为满足某型塔架式风电机组叶片的监测需求，提出了一种基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating,FBG）传感网络的结构监测方法。建立叶片三维模型并进行有限元仿真，获得其工作状态下的应变分布。设计FBG封装及布局方案，实时监测各传感点应变数值及变化规律。通过快速傅里叶变换分析其振动特性，探究温度、风速等环境因素对该监测系统可靠性的影响。结果表明，基于FBG的应变-振动测试方法能有效监测叶片对风压的载荷响应及振动频率，误差范围在0.04 Hz以内，满足实际工程需求。     

光纤光栅传感器与机械结构预处理胶接方法

结构应力应变高精度测量对于实现直升机动静态强度监测与评估具有至关重要的意义。由于光纤光栅传感器具有柔韧性好、芯径细、抗电磁干扰能力强以及便于实现分布式监测等显著优点,使得其在航空航天器结构强度监测领域受到广泛重视。为提升直升机应变监测精度与灵敏度,本文研究了光纤光栅传感器应变感知原理和精度影响因素,构建了基于光纤光栅传感器的板结构应变监测系统。在此基础上,提出剥离光栅栅区涂覆层、施加预应力及其双层胶接等预处理集成方法,实现对板结构光纤光栅传感器应变测量精度的有效提升。     

单端固支铝合金结构应变监测与反演方法

针对直升机主承力结构,如桨叶关 键区域应力应变场监测需求，研究相应分布式在线监测技术及其应变场反演方法，从而为直升机结构健康状态评估与结构变形实时辨识提供依据。借助Patran/Nastran仿真软件分别对单端固支铝合金梁与板结构进行有限元仿真，给出基于光纤光栅传感器与电阻应变式传感器的基本配置规则，提出了基于三次B样条函数插值算法的单端固支铝合金结构应变场反 演方法。在此基础上，构建了基于光纤布拉格光栅和电阻应变片的分布式应变在线监测系统。研究表明，本文监测方法合理、可行。     

基于光纤光栅传感技术的机翼形变测量方法研究与分析

飞机机翼是飞机的重要部件之一,根据其结构受力特点,将翼梁简化为悬臂梁结构,利用光纤光栅传感器搭建测试系统,从静态测试与动态测试两个方面进行实时监测其结构形状变化,并将测试结果分别与全站仪测试、高清摄像机测试结果进行比对,两次试验证明,光栅传感器测量结构形变相应速度快,正确率较高,利用光纤光栅传感器测量机翼形变方法可行。     

反射式动栅光纤传感器及应用

提出一种新型的光纤传感器——反射式动栅光纤传感器。这种传感器是采用光纤作为传光元件，而敏感元件是一对等节距光栅，其中一块为定栅，一块为动栅，当两光栅位置发生变化时，其光通量随之变化，再经光电转换系统转换信号后以电信号输出的传感系统。该传感器结构简单，使用方便，可用于测量位移、应变及其它物理量，尤其是在高温测量、连续变化量测量及实时监测等方面，更显示其优越性。文中给出了这种传感器的理论分析，并以测位移为例，给出了实测结果。实验结果表明，理论分析与实验结果相一致，并具有一定的测试灵敏度     

光纤光栅传感器对非均匀应变场的响应特性

提出利用测量位置处光栅传感器的光谱特征反推该处对应的应变分布状态的方法。采用改进的传递矩阵方法，模拟了不同应变分布函数对应的光谱响应，分析了其基本特征参数同应变分布之间的变化规律。通过有限元仿真计算试验件在弯曲载荷下光栅粘贴处的应变分布，重构了传感器的光谱，并将其和应变分布函数的理论计算光谱图进行比较，验证了应变分布形式与反射光谱特征的关联性。构建带有不同半径圆孔的铝合金板孔口弯曲加载试验系统，测试试验件弯曲挠度和孔径大小与反射谱特性的关系。理论及试验结果表明，实测与仿真计算的谱图变化具有相同规律，光谱特征参数可作为预测铝合金孔径的有效指标，并为其他类型结构的应变场变化规律的监测提供参考依据。     

动静态载荷下光纤光栅传感器敏感特性研究

针对航空航天领域板结构动静态载荷监测需求,研究了基于铝合金板结构的光纤光栅（Fiber Bragg grating,FBG）传感器感知特性。从静载监测角度,得到光纤光栅传感器中心波长偏移量与加载距离、载荷大小和加载角度的对应关系。从动载监测角度,分别得到在不同加载距离和不同加载夹角的载荷作用下,光栅中心波长最大峰值幅度和基于小波包分解的能量谱特征随冲击载荷属性变化的响应特性。研究表明在动静态载荷作用下,光纤光栅传感器中心波长偏移量随加载载荷的增大而呈现良好的单调递增关系。此外,光纤光栅传感器还具有较好的载荷 方向敏感特性,传感器响应灵敏度随着加载夹角增大而逐渐提高。这些特性能够为进一步开展基于光纤光栅传感器的板结构动静态载荷辨识与损伤监测提供有益帮助。     

基于F-P腔可调谐滤波器的FBG振动传感系统

通过F-P腔可调谐滤波器和宽带光源产生窄线宽光源,并通过调节F-P腔滤波器使窄线宽光源工作于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)反射谱的边缘,从而实现了基于FBG的振动传感系统。通过STM32产生F-P腔可调谐滤波器的驱动电压,采用数据采集卡(DAQ)采集光电探测器的输出信号,用基于LabVIEW开发的上位机软件实现显示振动信号的时域波形和频谱。同时,通过研究F-P腔可调谐滤波器的动态漂移特性,发现预加电压可以减弱动态漂移对系统性能的影响。最后,将商用的电振动检测系统的测试结果与本文系统的测试结果进行了比较,结果表明:当振动频率小于100 Hz时,本研究的实验系统相对误差小于3%。     

碳基复合材料结构800℃光纤高温应变测量

本文采用自主研制的光纤高温应变复合传感器对碳基复合材料结构样件在常温～810℃范围内的高温应变测试特性进行了研究。在马弗炉内对两件碳基复合材料结构试件分别进行三次常温～810℃重复加热实验,高温应变热输出测试结果具有很好的重复性。在万能试验机上,在800℃高温环境下对碳基复合材料结构试件进行了拉伸实验,光纤高温应变复合传感器的测量值与高温引伸计的测量值具有较好的一致性。与此同时,在本文实验结果中,光纤高温复合传感器测试结果的跟随性、平滑性要优于高温引伸计的测试结果。     

光纤法布里-珀罗高温应变传感器技术进展

本文对法布里-珀罗高温应变传感器技术的发展进行了整理和总结。基于石英光纤的法布里-珀罗高温应变传感器能够应用于1000℃以下的环境,采用本征型和非本征型F-P传感器均能够对应变进行测量。对于1000℃以上的环境,以蓝宝石光纤为基础制作的传感器取得了较好的测温效果,但对应变的测试没有报道。基于蓝宝石光纤的F-P腔高温应变测试将会是未来的发展方向之一。     

光纤表面等离子体波传感器用于固化监测的研究(英文)

光纤表面等离子体波传感器在理论上具有较高的研究价值 ,并且因为结构简单、灵敏度高等特点在工程上得到广泛应用。使用光纤表面等离子体波来测试折射率 ,方法简单、灵敏。本文介绍了利用光纤表面等离子体波传感器使用这种方法对环氧树脂复合材料进行固化监测。文中对不同折射率的溶液进行了折射率测试的研究 ,并设计了一种用于折射率测量的性能稳定、操作方便的光纤传感探头及整套的测试系统 ,用以对固化过程中环氧树脂在不同阶段的折射率变化进行实测。测试结果表明 ,该系统工作稳定、可靠 ,测试结果符合实际情况     

分布式光纤微弯应变传感器

分布式应变传感器对大型重要工程结构的应变状态的实时测量具有重要的应用价值.本文研究了一种基于光时域反射技术的准分布式光纤应变传感器系统,沿光纤分布各局部点的应变信息由一种新颖结构的微弯应变传感器提取.实验研究表明,此微弯应变传感器在一定的工作范围内有较高的灵敏度、较好的线性度和重复性.     

基于光纤光栅的编织复合材料多点热应变监测

为研究三维编织复合材料的热特性，本文利用编入编织复合材料结构的光纤Bragg光栅传感器来测量其内部多点热应变。为消除光栅自身温度受温度的影响，本文提出了用另一个自由状态光纤Bragg光栅对其进行温度补偿的方法。通过实验获得了编织复合材料的热应变与温度关系曲线。实验结果表明，碳纤维／环氧树脂三维编织复合材料结构的编织角较小时，在编织方向上的热膨胀率为负。     

改性C/C材料梁结构四点弯高温应变光纤传感测量

本文根据梁结构四点弯模型挠度与应变的关系特点,采用自主研制的光纤高温应变复合传感器,在改性C/C材料结构表面用高温无机胶粘贴布设传感器,放入高温挠度试验机进行常温至800℃条件下的四点弯加载试验,获得不同挠度下光纤复合传感器所测的应变数据,并与按四点弯模型计算的参考应变作对比,相对误差1-范数平均值在10%以内。通过有限元进行四点弯模型仿真计算,获得不同挠度下试验件上的应变仿真数据和光纤复合传感器测量的应变仿真数据,二者相对误差为7.56%。高温挠度试验和有限元仿真结果均证明,在测量梁的弯曲应变时,光纤高温应变复合传感器测量结果大于挠度对应的梁的实际应变值,相对误差在10%以内。     

基于粒子群—克里金法的筒段应变场重构与载荷位置识别

针对可重复运载器箭体、燃料贮箱以及飞机机身等筒段类结构健康监测需求,本文提出了一种基于高密度弱反射光纤光栅传感器的筒段结构应变场重构与载荷位置辨识方法.借助ABAQUS有限元仿真软件,得到筒段壁面在载荷作用下的应变场分布特性.研究了基于粒子群—克里金法的壁面应变场重构算法,提升了应变场重构精度.构建了筒段壁面应变场分布...     

基于3×3耦合器的可判向光纤干涉型传感器研究

３×３光纤耦合器是实现干涉型光纤传感器信号银调的一个很有前途的发展方向，具有灵敏度高，易于判向，测量范围大，便于全光纤第一系列优点，本文首先发析了３×３光纤耦合器的输入输出特性，在此基础上，建立了基于３×３耦合器的马赫－泽德干涉型光纤传感器系统，阐述了传感器的工作机理，指出了传感器信号的处理方法，在测量应变实验系统的基础上，详细地介绍了系统的构成方法，大量的实验表明，该实验系统工作稳定，性能良好。     

智能结构中埋入式光纤传感器的研究

针对复合材料结构试件内部参量的测量提出了一种新型埋入式光纤传感器的研究方案。这种方案是采用双光敏管结构来检测干涉条纹的，运用适当的处理电路来计数条纹的移动量，并判断条纹的移动方向，从而测出复合材料构件内部物理参量的变化。对这种干涉型埋入式光纤传感器用于复合材料试件内部应变测量进行了理论推导，导出了条纹的移动量与应变的关系，并把这种传感器埋入环氧树脂复合材料梁中，对其应变进行了测量，给出了实验装置和