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     

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。     

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.     

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。     

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.     

模具材料对复合材料制件固化过程应变的影响分析

复合材料热压罐固化工艺过程中,制件的固化变形依旧是影响成形质量的重要原因。通过光纤光栅和热电偶相结合的方法对复合材料制件在热压罐成形工艺过程中的温度和应变进行在线监测,研究了树脂基体对制件应变的影响规律,并基于此分析了不同模具材料对制件固化过程应变和固化变形的影响。试验结果表明:树脂与模具是复合材料固化过程应变变化的主要影响因素,在升温/保温阶段,树脂的流动、热膨胀、固化反应等是应变变化的主要原因,而在降温阶段模具收缩对应变变化起主导作用;不同模具材料的刚度、与制件的结合能力以及热膨胀系数的变化会在复合材料固化过程的不同阶段对应变变化产生较大影响。本文获得了不同材质模具试验条件下复合材料制件固化过程中的应变曲线,分析了固化过程中模具对复合材料制件内部应变的影响规律,为深入分析大型复合材料构件固化变形提供了理论支撑。     

光栅光纤组合探头在油料液位检测中的应用

提出了一种利用光栅光纤组合探头技术对航空油料液位进行检测的方法。该方法是将钢带浮子式液位计检测到了液位信息转换为光栅位移量，通过光纤探头探测，由光缆远距离传送至中央控制室，利用微处理机对信号进行实时处理，实现对液位的自动采集和监测，具有体积小、重量轻、精度高、可靠性好、本安防爆等优点。     

温度波动对光栅压力型传感器精确测量影响的研究

文章分析了温度场波动对压力测量的影响,提出了消除这种影响的方案并设计了通用性实验平台,展开了实验分析,基本实现了光栅在抗温度干扰下的压力信号的测量.     

基于光纤Bragg光栅的飞机异种金属连接件腐蚀监测技术研究

针对飞机"铝合金板材+钢螺钉"异种金属连接结构易腐蚀的问题,采用光纤Bragg光栅应变传感技术研究了飞机连接结构模拟件的腐蚀实时监测方法。结果表明,运用理论分析和参考光栅方法剔除温度变化对光栅波长的影响,使得光栅波长变化量可以较好的描述将不同时间下腐蚀引起的"枕垫效应"损伤程度,提高了实时腐蚀监测数据的精度,建立了腐蚀损伤与光栅波长变化量的关系。     

FIBER OPTIC TEMPERATURE MEASURING SYSTEM

提出了一种可用于多种场合的光纤温度检测系统。该系统具有反射式结构，由热双金属片、连杆－活塞机构、光栅及光纤探头组成。温度变化引起热双金属片变形，通过连杆－活塞机构，使得光栅在竖直方向移动。光纤探头用来检测由于温度变化引起光栅移动产生的条纹数。通过光纤光缆可以将检测信号传输１ｋｍ以上，系统的温度测量范围达到１００℃，精度达±０．２℃。     

纤维金属层板层间应力理论模型及实验验证

探究并建立纤维金属层板中的金属与复合材料的热膨胀系数不匹配而导致的制件界面处产生的较大的层间应力的数学模型。首先通过控制简单非对称纤维金属层板三维各向尺度的变化,得到各向尺度变化对纤维金属层板层间应力的变化影响规律,并根据所得规律简化了纤维金属层板的力学结构模型。基于弹性力学和理论力学对设置的力学模型进行分析,得出了单向非对称铺层纤维金属层板层间应力的数学模型。然后通过分析非对称铺层与对称铺层制件之间的联系,将非对称铺层的纤维金属层板层间应力表达式推广到了标准对称铺层。光纤光栅传感器实测出的应力值与理论模型得出的应力值进行对比,最大误差不超过3.504%。验证了纤维金属层板层间应力理论模型的准确性。     

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。     

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。     

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。     

Resistance Spot Welding Method for Metal-Based Fiber Bragg Grating Sensors

Aiming at the requirements of installation and work environment of metal-based fiber Bragg grating(FBG)sensor,a resistance spot welding method is presented.Firstly,the effect of welding parameters on welding quality is discussed theoretically,and a suitable resistance spot welding method for the metal-based FBG sensor is proposed for the first time.Then through serial resistance spot welding tests,the feasibility and practicability of the method are verified,and optimal welding parameters for two different tested metals are obtained.Fatigue performance test validates FBG sensors installed by the proposed method with good fatigue properties and long-term stable measurement performance.The research results can provide technical guidance for engineering structure long-term safety monitoring.     

基于准分布式光纤光栅传感器的机翼盒段载荷监测

以某型飞机机翼盒段为研究对象,建立了盒段试件的有限元模型,分析外载荷和应变分布之间关系.采用波分复用形式构建了分布式光纤Bragg光栅传感网络测量盒段试件的应变,设计了网络中先纤传感嚣的排布方式,在此基础上研究了传感网络的温度补偿方法.运用波长监测方法对盒段结构承受的不同载荷进行了实验研究.结果表明,传感器的波长偏移与栽荷成线性关系,斜率由于加栽点位置的变化而不同.传感器的最大载荷监测灵敏度迭3.09 pm/N.     

空间柔性充气结构分布式光纤裂纹损伤监测方法

空间柔性充气结构作为一种航天器基本组成单元,在气闸舱、空间居住舱等领域受到越来越多关注。针对此类结构损伤状态的智能辨识,对于目前正在开展的深空与星际探测具有重要意义。为此,本文提出了一种基于分布式光纤传感器的空间充气结构裂纹损伤实时监测技术。借助ANSYS有限元分析方法,数值模拟得到含裂纹损伤的充气结构模型在不同内压载荷作用下的应变响应与分布规律。在此基础上,通过由芳纶编织而成的柔性充气结构表面布置分布式光纤光栅传感网络,实时采集不同位置与程度损伤对应的表面应变分布与变化信息。提取能够表征结构裂纹特征的辨识参量,建立光纤传感器应变响应差值与裂纹损伤长度之间的关系模型,实现裂纹损伤区域定位与损伤长度识别。研究结果表明,本文所提方法具有非视觉测量、实时性好以及多种功能复用等优点,能够为未来空间柔性充气结构服役状态辨识与在轨快速维护提供技术支撑。