表面粘貼式光纖光柵傳感器動(dòng)應(yīng)變傳遞規(guī)律理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在使用光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating,FBG）應(yīng)變傳感器測量被測結(jié)構(gòu)件應(yīng)變過程中，應(yīng)變傳遞率是影響測量精確度的最直接因素。與傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片傳感器相比，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器具有抗電磁干擾強(qiáng)、信號傳輸距離遠(yuǎn)，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式測量等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁、航空航天、機(jī)床等大型結(jié)構(gòu)工程和強(qiáng)電磁場環(huán)境中應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)有傳遞率理論都是在被測基體結(jié)構(gòu)承受靜態(tài)載荷的基礎(chǔ)上進(jìn)行的研究，研究表明粘貼工藝對光纖光柵的靜態(tài)應(yīng)變傳遞能力有較大的影響，

2、而在上述大型復(fù)雜的實(shí)際工況下，被測基體結(jié)構(gòu)大多都是承受動(dòng)態(tài)載荷。因此，有必要研究在被測基體結(jié)構(gòu)承受動(dòng)態(tài)載荷情況下，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器的動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳遞規(guī)律。本文根據(jù)實(shí)際工程中動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量需要，以FBG應(yīng)變傳感器為研究對象，基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建立光纖光柵動(dòng)應(yīng)變傳遞的動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)出光纖光柵對正弦激勵(lì)的穩(wěn)態(tài)表達(dá)式，探討影響光纖光柵傳感器動(dòng)應(yīng)變傳遞的因素，并通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證動(dòng)應(yīng)變傳遞規(guī)律的有效性。
　　本文的主要研究內(nèi)容包括：首先介紹FBG應(yīng)變

3、傳感器動(dòng)應(yīng)變傳遞率的研究目的和意義，總結(jié)表面粘貼式FBG應(yīng)變傳感器靜態(tài)應(yīng)變傳遞率和動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并敘述應(yīng)變傳遞理論在測量動(dòng)態(tài)應(yīng)變情況下的不足。接著基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)，建立表面粘貼式FBG應(yīng)變傳感器動(dòng)應(yīng)變傳遞的動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)出動(dòng)應(yīng)變傳遞的動(dòng)力學(xué)方程，以基體承受正弦信號載荷為例，得到沿光纖軸向各點(diǎn)的應(yīng)變傳遞率和沿光纖光柵粘貼長度內(nèi)的平均應(yīng)變傳遞率的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并運(yùn)用MATLAB軟件計(jì)算，分析模型中結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)

4、對平均應(yīng)變傳遞率的影響。然后運(yùn)用ANSYS軟件中的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊，對表面粘貼式FBG應(yīng)變傳感器的動(dòng)應(yīng)變傳遞模型進(jìn)行大量的仿真分析，研究上述結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)對平均動(dòng)應(yīng)變傳遞率的影響，有效的驗(yàn)證理論計(jì)算中各個(gè)參數(shù)對平均動(dòng)應(yīng)變傳遞率影響的規(guī)律的有效性。最后，基于美國MTS810實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行表面粘貼式FBG應(yīng)變傳感器動(dòng)應(yīng)變傳遞實(shí)驗(yàn)，通過單一變量控制法，來進(jìn)行單個(gè)參數(shù)對動(dòng)應(yīng)變傳遞率影響規(guī)律的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)理論分析和有限元仿真分析的有效性

5、。研究表明：激振頻率、粘貼長度、粘貼厚度、和粘膠中間層厚度是影響動(dòng)應(yīng)變傳遞率的主要因素，粘貼寬度對動(dòng)應(yīng)變傳遞率影響較小。當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)固有頻率時(shí)，動(dòng)應(yīng)變傳遞率基本維持不變，實(shí)驗(yàn)測得動(dòng)應(yīng)變傳遞率為92％。在達(dá)到固有頻率之前，動(dòng)應(yīng)變傳遞率隨激振頻率的增大緩慢增大。當(dāng)粘貼長度大于光纖光柵柵區(qū)長度的2倍時(shí)，傳遞率明顯優(yōu)于粘貼長度較短者，實(shí)驗(yàn)動(dòng)應(yīng)變傳遞率為92%。FBG應(yīng)變傳感器動(dòng)應(yīng)變傳遞率隨粘貼厚度的增大而減小，隨粘膠中間層厚度的增大而減