光纤Bragg光栅传感器测试技术研究进展与展望(I):应变、温度测试

综述了土木工程中用于结构应变和温度测试的各种光纤Bragg光栅传感器的研究现状,对其存在的问题进行了分析并指出其发展方向.从传感器制作方面分类介绍了管式、基片式和嵌入式封装应变传感器,增敏型和不受应变干扰的温度传感器,应变和温度同时测量传感器的最新成果.并概括了各种传感器的基本原理,总结了其优点和不足.通过对光纤光栅传感器特点和土木工程结构测试需求的综合分析,指出光纤光栅传感器在混凝土中的埋入技术及光纤光栅传感器的实用性、在结构中的优化布置、耐久性和长期稳定性等问题还需要进一步研究.     

光纤光栅传感技术在土木工程结构监测中的应用

分析研究了光纤光栅传感与测试技术在大型土木工程结构监测中的应用;通过在加固后重载吊车梁圆弧端头的应力测试,对光栅传感器在结构测试中的布设、连接和监测等进行了测试与研究,测试结果表明:该测试技术的测试数据稳定、可靠,与理论计算结果吻合较好,是进行结构安全健康监测的有效手段.     

光纤光栅传感器在土木工程结构健康监测中的应用

在土木工程领域，光纤智能检测方法是结构健康监测中一种新的方法。本文首先系统阐述了光纤光栅传感器的独特优点，然后，对光纤光栅传感器的结构和工作原理进行详细介绍,回顾了目前光纤光栅传感器在国际上和国内用于健康监测研究和应用的现状，及其光纤健康监测系统的构成、信号处理、安装等方面问题；最后，展望了光纤光栅传感器在结构健康监测领域中的前景。     

基于差分结构的光纤光栅应变传感器温度补偿

针对基于差分结构的光纤应变传感器传统的温度补偿算法易产生测量误差的问题,本文将封装后的整个敏感结构一体化分析,通过实验标定得到光栅的温度敏感系数,简化了理论推导,并通过了应变实验测试。结果表明,进行温度补偿后,两光栅中心波长差与压强成线性变化,线性系数为0.7 pm/Pa,拟合度为0.999 5,能够有效抑制温度对波长的影响。     

双光纤布拉格光栅温度和应变传感研究

在对光纤布拉格光栅温度和应变传感原理分析的基础上，构建了一种易于实用化的，能够实现温度和应变双参量同时区分测量的双光纤布拉格光栅传感器结构，并建立了其传感模型，从而解决了光纤布拉格光栅传感器进一步发展的关键问题，即温度、应变交叉敏感问题．最后，在现有的实验条件下设计了该模型的传感实验系统．实验结果表明，当被测温度变化在10～65℃，轴向应变在50με～350με范围内时，测量结果与实际值很接近，从而证明了双光纤布拉格光栅结构传感模型的正确性，并为其深入研究和实用化奠定了一定的理论和实验基础．     

光纤光栅测力环及其应用

基于光纤光栅传感原理,将光纤光栅应变传感器、温度传感器与弹性体组合在一起,研制出了光纤光栅测力环.该装置同时测量构件所受应力和温度,并对结果进行补偿以提高测试精度.光纤光栅测力环已成功应用于国内某桥系杆换索施工的监测,实践表明在一般建筑工程环境下,其测量精度可达到±2%,大大优于其他测量工具.因此,光纤光栅测力环可以实时精确地监测工程结构的温度及应力变化状态.     

光纤光栅的缓粘结预应力混凝土结构监测

为了解缓粘结预应力混凝土结构内部混凝土应变变化规律,采用光纤光栅健康监测系统对沈阳市文化艺术中心的音乐厅主体结构内部温度和应变的变化情况进行了监测.光纤光栅传感器的布设过程中采用了一系列措施来保护传感器本身以及信号传输线路,光纤光栅传感器体现了良好的存活率.温度监测结果显示:混凝土浇筑后硬化过程中构件内部温度均在0℃以上,养护期完成后混凝土温度基本与外部环境一致.应变监测结果显示:位于23.2 m和25.6 m的缓粘结预应力悬挑梁应变变化规律基本一致,预应力柱拆模前后压应变变化较大.     

光纤光栅传感器民机机载环境适应性分析方法

严苛的机载环境条件严重影响着光纤光栅应变传感器在民机结构状态监测中的长期应用,为了评价光纤光栅应变传感器的机载环境适应性,从机载环境条件出发,提出以传感特性的灵敏度系数、线性度、零点漂移、温度系数作为评价光纤光栅应变传感器环境适应性的指标体系,设计了环境试验前后基于等强度梁的传感器有效性测试方法,分别采用涂层封装与非金属基底封装两种封装形式的光纤光栅传感器,经历14项环境试验后暴露其存在问题对环境适应性进行分析,试验结果表明提出的指标体系能有效地评价光纤传感器失效状态,从而验证了该环境适应性分析方法的可行性。     

光纤光栅传感器的原理及应用研究

作为性能优良的敏感元件,均匀光纤布拉格光栅、啁啾光纤布拉格光栅等多种传感器已经有了更多的直用领域。通过光纤布拉格光栅内部写入、干涉法侧面写入、相位模版法写入等制作技术的原理说明和对比评介,通过光纤光栅传感器对所在环境的应变、应力、温度变化和动态磁场的感应原理分析,以及对光纤光栅传感器在复合材料、电力系统、石油天然气井和建筑结构中的应用工程的综述,阐明了这一类传感器件在单参数传感测量,特别是多参数传感测量中还育很大的发展空间,值得进一步研究。     

金属封装式FBG传感器设计及应变传递试验

为实现对被测基体结构应变的精确测量,设计一种基于金属封装粘贴式光纤光栅应变传感器,建立了6层结构的应变传递模型,分析推导了被测基体层、基底粘胶层、封装基底层、光纤粘胶层、保护层及光纤光栅层的应变传递机理,并通过理论分析和有限元仿真对比分析了光纤光栅长度、光纤粘胶层厚度、基底粘胶层厚度、中间层的弹性模量和泊松比等主要因素对平均应变传递率的影响.根据仿真结果,确定所设计的金属封装粘贴式光纤光栅传感器的封装材质、尺寸及粘胶层厚度.最后通过设计等强度悬臂梁作为施加载荷载体,提出应变传递误差修正系数,对上述铝合金封装粘贴式光纤光栅及裸光纤光栅传感器进行了应变传递对比试验.结果表明,裸光纤光栅和金属封装式光纤光栅传感器的平均应变传递率分别为98.25%和98.15%,与仿真计算误差在0.15%~0.25%以内.     

光纤光栅应变传感器在仿真混凝土拱坝模型试验中应用

采用了一种基于两端夹持不锈铜管封装技术的光纤光栅应变传感器,利用万能试验机对该传感器进行了应变性能标定试验,研究了不同基体材料上传感器的应变灵敏特性.测试结果与理论结果吻合较好.将埋入武光纤光栅应变传感器应用到仿真混凝土拱坝的抗震安全性分析试验中.试验结果表明,基于两端夹持封装技术的光纤光栅传感器具有良好的灵敏度、低噪...     

光纤Bragg光栅传感器温度和应变的双参量同时测量

分析光纤Bragg光栅传感器的温度应变交叉敏感机制，利用光栅对实现了温度和应变的双参量同时测量，有效的消除了交叉敏感对FBG型传感器测量精度的影响．     

光纤光栅温度传感器在地源热泵中应用

地源热泵应用地下土壤的地热资源,为建筑冬季供暖和夏季制冷．为了实时监测地源热泵工作过程中垂直盘管换热器周围土壤温度的变化,应用3个自行研制的光纤光栅温度传感器。组成分布式光纤光栅温度监测系统对其进行监测．3个光纤光栅温度传感器分别安置在25m垂直盘管的5、15和25m处．垂直盘管安装完后,应用FBG波长解调系统采集数据．采用双层钢管封装的光纤光栅温度传感器,有效消除了应变对光纤光栅的影响,同时也提高了光纤光栅的温度灵敏度．该光纤光栅温度传感系统对地源热泵长期工作状态进行了监测,监测结果与理论计算结果符合很好．     

应用FBG传感器测量高性能混凝土梁养护早期性能

在高性能混凝土构件无载荷养护早期,混凝土较大的自生收缩和温度变形在混凝土结构内部产生微裂纹将对高性能混凝土结构的耐久性产生不可忽视的影响。运用光纤布拉格光栅（FBC）埋设型传感器成功检测了高性能混凝土梁构件在其无载养护早期的应变和温度变化。由于布拉格光栅同时感应温度变化和应变,因此需要设置FBG温度传感器来补偿应变传感器的温度影响。FBG双传感器成功检测了高性能混凝土梁构件的早期变形性能和温度变化,试验结果表明高性能混凝土梁在养护早期无载阶段的自收缩变形比较大,浇注养护18h达到430με的最大值,同时分析了减水剂用量对高性能混凝土早期变形性能的影响。     

光纤光栅传感特性测试仪的研究

利用匹配光纤光栅解调的技术,将光纤光栅和悬臂梁结构相结合,制作出一种新颖的光纤光栅传感测试仪.该仪器具有成本低、线性度高、灵活性和方便性,不仅可作为现场光栅传感测试装置,而且可以作为光纤光栅教学实验设备.     

FBG传感器温度性能及温度补偿实验

FBG温度传感器可以用于测温,在其他参量监测中,还用它作温度补偿.本文对FBG及其传感器的温度性能进行实验研究,旨在研究FBG传感器的温度灵敏度及提高温度补偿精度的方法.结果表明:从实验中得到的温度灵敏度与理论分析结果非常吻合;使用低膨胀材料做工作片基底,用高膨胀材料做补偿片基底,可以有效地减小温度补偿误差,提高测量精度.     

光纤光栅压力计及其传感特性的研究

设计了一种基于悬臂梁结构的光纤布拉格光栅（FBG）压力传感器,采用应变片作为悬臂梁,将垂直压力转换成轴向应力. FBG固定在悬臂梁上,将应力转换成中心波长的漂移. 通过半导体激光器斜边检测法检测FBG波长的移动. 研究了FBG栅区长度和特征反射光谱宽度的关系,选择并制作了栅区长度为1 mm的FBGs作为传感器,确保FBG中心波长漂移时,半导体激光的波长仍在FBG的反射光谱区域内,扩大了传感器的动态范围. 在悬臂梁双侧设计了FBGs对结构,利用这对FBGs对环境温度相应系数相同的特性,消除环境温度波动对压力测量的影响. 在实验中改变FBGs对的温度,测量了它们对温度的响应并利用温度消敏算法获得传感器的温度不敏感性能. 提出了FBG压力传感器的空分复用技术,利用多个光纤耦合器和光电探头（PD）阵列组成传感网络. 上述的压力传感网络技术在边坡、基坑等土木工程结构安全监控领域具有实用价值.     

基于布拉格光纤传感的变压器绕组多次短路冲击应变

布拉格光纤光栅传感器（FBG）最重要的应用之一是在结构表面进行应变测量。为研究变压器绕组在短路冲击过程中的绕组受力情况,本文通过COMSOL软件建立试验变压器的短路冲击有限元模型,仿真得到理论电磁力,通过公式计算得到理论应变;进行了110kV真型变压器短路冲击试验,利用FBG传感器对绕组状态进行监测,观察其中心波长变化量,并通过光-力理论转换方程计算得到实际应变。将实际应变、理论应变进行对比分析,发现误差在5%以内,验证了可采用布拉格光纤传感法用于变压器绕组短路冲击应变检测的可行性和准确性。通过本次研究表明FBG传感器测量精准,可以通过这种方法对变压器绕组变形进行测量,具有较大的实际工程意义。     

光纤布拉格光栅湿度传感器研究

基于光纤布拉格光栅(FBG)的应力传感特性,提出了一种湿度传感方法,给出了湿度传感器的设计和实验测量系统。理论推导显示,涂有湿敏材料的FBG对湿度的传感可转化为对应变的快速响应,结合温度的有效补偿,可以共同反映在FBG中心反射波长的漂移上。研究结果表明,FBG湿度传感器能在较大温度范围内保持线性特性,并具有稳定性持久、响应速度快等优点。     

基于光纤光栅传感技术的门座式起重机SHM实施策略

结构健康监测(SHM)技术能在线实时监测结构健康情况、切实提高设备安全性能而日益引起人们的注意。本文将光纤光栅传感技术引入起重机SHM中,以一台MQ2533门座式起重机为试点,以有限元方法得出结构应力集中点作为传感器布点依据,采用32个光纤光栅传感器,通过光路复用成11路传感通道进行实时应变数据的采集;针对光纤光栅传感器温度和应变的交叉敏感问题,推导出光纤光栅温度式传感器和应变式传感器的一次线性拟合算法,并利用该算法编写结构健康监测与安全预警软件平台;通过有限元计算得到关键点和重要点能够承受的最大应力,并给予一定的余量,计算出了各个关键点的预警值和报警值。经过半年多的运行,表明所开发的基于光纤光栅传感技术的门座式起重机结构健康监测系统能较好地实时在线监测起重机的结构状况,在发生危险前能发出预警信息。