光纖光柵應變傳感及擴大應變傳感范圍的技術研究.pdf

1、光纖光柵以光纖為基礎介質,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域中廣泛應用。光纖光柵作為傳感元件,可測量應變、溫度、位移、加速度、濕度等物理量,同時具有體小質輕、抗腐蝕、抗電磁干擾、全光傳輸等優(yōu)點,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)新應用和解調技術研究。
　　 論文以光纖光柵為研究對象,對其傳感解調技術、在復合

2、材料工程中的應用和在大應變測量方面的應用做了相關研究。主要研究內容和工作如下:
　　 1.從應變測量技術出發(fā),總結分析了光纖光柵在應變測量方面的技術和應用；總結分析了大應變測量技術以及采用光纖光柵實現(xiàn)大應變測量的國內外現(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,推導了光纖光柵在軸向均勻和非均勻應變下的傳感模型；對光纖光柵傳感器的應變傳遞規(guī)律進行了模擬分析和討論；對光纖光柵傳感解調技術進行

3、了總結并重新分類。采用相對匹配解調方案制作應變解調儀,實現(xiàn)其集成化、數字化和自動化,解調儀單點應變測量范圍為260με、顯示分辨力達0.01με,重復穩(wěn)定度達±4με；提出并采用參考信號法解決雙值問題,并由LabVIEW軟件實現(xiàn)。
　　 3.光纖光柵應變傳感技術應用于復合材料工程中。利用埋入式光纖光柵研究碳纖維加強筋／環(huán)氧樹脂基復合層板的固化殘余應變的生成規(guī)律及其在厚度方向上的分布規(guī)律；對復合層板實驗梁進行疲勞測試,獲得的疲勞溫

4、升最高達2.3℃,穩(wěn)定溫升為1℃,疲勞應變范圍為5με～20με；同時研究疲勞載荷頻率和材料厚度位置對疲勞溫升和疲勞應變的影響。研究了用于測量光纖光柵軸向非均勻應變的光學低相干反射技術,并通過雙懸臂梁分層實驗加以驗證。
　　 4.提出采用復合結構、懸臂梁結構、基本梯形結構及變梯形結構(折臂結構、多折臂結構、圓弧結構、雙半圓結構、階梯結構)來實現(xiàn)光纖光柵大應變測量。運用有限元分析方法對基本梯形結構及變梯形結構進行初步的分析和討論；

5、對復合式和懸臂梁式光纖光柵大應變傳感器進行理論和實驗研究,前者的結構應變傳感靈敏度為0.069,理論可測應變范圍達14.5％,后者的結構應變傳感靈敏度為0.00252,實驗應變測量范圍可達50％。
　　 5.利用單位荷載法推導了基本梯形結構的應變傳感模型；設計制作了腳插式、橫夾持式和豎夾持式下的梯形結構光纖光柵大應變傳感器試樣,實驗表明腳插式試樣傳感結果與理論推導相符,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；實驗中各試樣均達到了20％的應變測量預期目標,最優(yōu)傳感性能為:在-10.8％～21.6％的應變測量范圍內,線性度<0.9％,回程誤差<0.7％,重復性誤差<0.4％。對變梯形結構如折臂結構進行實驗研究,表明其具有比基本梯形結構更好的大應變測量能力,應變測量范圍已達54.5％。
　　 論文主要的創(chuàng)新點:
　　 1.采用單位荷載法理論推導了梯形應變結構的應變傳感靈敏度模型,同時采用有限元方法驗證該模型并建立梯形結

7、構的優(yōu)化設計模型。
　　 2.以梯形應變結構的應變傳感靈敏度模型為指導,設計并制作了腳插式、橫夾持式和豎夾持式的梯形結構的光纖光柵大應變傳感器試樣,獲得了20％以上的應變測量范圍。
　　 3.光纖光柵應變傳感技術應用于復合材料工程中,采用埋入式光纖光柵對碳纖維加強筋／環(huán)氧樹脂基復合材料實驗梁在疲勞測試中的溫升和應變生成規(guī)律做出了創(chuàng)新性實驗研究,尤其首次研究了疲勞載荷頻率(0.1Hz～20Hz)對疲勞應變的影響,獲得了該復