表面式光纤光栅传感器应变传递机理研究毕业论文

 2020-04-03 01:04

摘 要

本文针对光纤光栅传感器特点进行总结和分析,查阅先前表面式光纤光栅传感器建立的模型的实际运用,通过总结这些模型的优缺点与被测结构的受力特点分析,拟定出更完善的应力应变传递分析模型,计算其理论传递效率并与实验测量数值对比,验证此模型的可行性。此次模型的优化对于工程实际中表面式光纤光栅传感器的设计具有一定的指导意义。

本论文先是对表面式光纤光栅传感器在本专业主要运用的结构的受力进行分析,证实其独特的优势所在;再根据先前学者发表的有关表面式光纤光栅传感器的应力应变传递模型,对模型的分层进行再细化后确立新的模型;然后再利用已有的力学相关知识对模型给出一些基本假设,在此基础上对模型受力情况进行分析,推导出理论应力传递效率;之后再探究影响应力传递效率的各因素,利用控制变量的方法由实验得出应力传递效率的实验值,计算两者的误差确定其可行性;最后总结全文,展望未来,完成本次论文。

关键词:表面式光纤光栅传感器;应力应变传递效率;影响因素;实验误差

Abstract

With a dialectical analysis on various fiber Bragg grating sensor throughout the world, this paper takes a thorough insight into the application of the model of surfaced fiber Bragg grating sensor, intended to build a better model for the analysis of strain transmission. The paper figures out the theoretical transfer rate and proves the feasibility of this model by contracting the theoretical value with the actual one. The optimization has certain guiding significances for design in actual practice.

First, this paper analyzes the situation of forced sensor, mainly applied in hydraulic structures, to confirm the superiority of surfaced fiber Bragg grating sensor. Second, according to strain transfer model previously proposed by scholars, it makes sense to refine the stratification. Moreover, based on several basic mechanical assumptions, the theoretical strain transfer can be inferred after force analysis of the model; then, factors affecting strain transfer rate are inquired to figure out the experimental value via variable-controlling approach. This paper calculates and compares the errors between the theoretical values and experimental values. Finally, this paper sums up the results, gazes into futurity, and finishes the report.

Key Words: surfaced FBG; strain transfer rate; influence factors; experimental error

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 光纤光栅传感器的研究背景 1

1.2 光纤光栅传感器的研究现状 4

1.2.1埋入式光纤光栅传感器的研究现状 5

1.2.2 表面式光纤光栅传感器的研究现状 5

1.2.3 本文主要内容 6

第二章 表面式光纤光栅传感器的应用 7

2.1 表面式光纤光栅传感器的优势 7

2.1.1表面式光纤光栅传感器的优势 7

2.2 水工结构的受力特点分析 9

2.2.1港口水工建筑物的受力特点 9

2.2.2 船体结构的受力特点 10

2.3 表面式光纤光栅传感器模型分析 10

2.4 本章小结 11

第三章 码头结构方案比选及设计 12

3.1 表面式光纤光栅传感器应变传递模型分析 12

3.1.1 表面式光纤光栅传感器整体应力传递效率分析 12

3.1.2 表面式光纤光栅传感器基底层与被测材料应力传递效率分析 17

3.2应力应变传递效率的影响因素 19

3.2.1 基底层材料的影响 19

3.2.2 基底层长度的影响 21

3.2.3 基底层厚度的影响 22

3.3 本章小结 22

第四章 实验分析 23

4.1 实验过程 23

4.2 误差分析 25

4.3 本章小结 25

第五章 总结与展望 26

5.1论文总结 26

5.2未来展望 26

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1研究背景

1.1.1光纤光栅传感器的研究背景

随着现代信息技术的飞速发展,计算机已经能够处理兆亿级别的数据,因而光纤光栅技术与计算机的结合使得以往的测量点迅速扩容,信息传输量也比之前扩展了几个数量级。光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating,简称FBG),是一种传感型光线传感器,与传统的电阻式应变传感器相比较而言光纤光栅传感器的优点[1]所在:体积小重量轻,耗能少,灵敏度高,抗干扰强。一般的表面式FBG的结构为纤芯----包层-----涂覆层[2],如图1.1所示:

图1.1 表面式FBG结构示意图

光纤光栅传感器因其极高的性价比,被广泛地应用于工程结构和构件的测量当中,主要包含结构物的结构缺陷测量和结构内的应力应变测量,实物如图1.2所示。并且,由于绝大多数的工程项目中都会需要对其建筑结构等进行刚度、强度和稳定性的验核,项目投入使用后也需要开展结构健康监测等维护工作。

图1.2 FBG解调仪实物图

光纤光栅传感器在水利、桥隧、电力、石化、军工等多个行业都有着很高的人气,它的使用主要包括埋入式和表面式两种分布方式[3],埋入式主要应用于大型混凝土结构中,此前已有很多学者[4、5]对此进行过研究;表面式主要用在钢结构较多的工程中,周雪芳[6]等研究了振动传感方面。

中国作为世界第二大经济体,其在建筑结构领域的发展不可谓不迅猛,许多大型工程结构的建成都是领先于世界水平的,比如最近刚通车不久的港珠澳大桥,如图1.3。桥的全长为49.968公里,主体工程“海中桥隧”长35.578公里,是目前为止世界第一长的跨海大桥。大桥的建成可以说是跨海大桥的一大突破,其施工工艺之复杂,误差要求之精确均跻身世界前列。海洋复杂的环境条件使得对于应变的测量极其棘手,FBG以它高精度高稳定性的特点,使得水下测量与检测成为可能。

图1.3 港珠澳大桥远景图

不仅如此,从整体来说国内桥梁的建造也是非常惊人的,截止到2017年初,主跨跨径超过400米的桥梁数目如下表所示:

表1.1 我国不同桥型各跨径段的桥梁数

跨径段(m)

斜拉桥

悬索桥

拱桥

共计

400-599

65

14

20

99

600-799

22

13

0

35

800-999

10

10

0

20

≧1000

3

21

0

24

总计

100

58

20

178

这其中多数的桥梁都有近20年的使用时长,有的甚至已有五六十年的历史,与发达的建造技术不相匹配的是较为滞后的健康检测与维护。这一问题逐渐被国内专家学者[7]重视。光纤光栅传感器在此中发挥了重要作用。光纤光栅传感器分布点很广,监测点更多,因此能全面反映桥梁关键部位的应力应变情况;且由于高精度的特点,监测人员可以观测更细微的变化,并根据实际做出对策措施;最关键的一点在于它极强的抗干扰性,能够适应各种气候条件。超高的性价比让光电光栅传感器在桥梁检测应用里大放光彩。

对于港航专业来说,主要研究对象是水工钢结构。随着光电光栅传感这项技术的日臻完善,光电光栅传感器的应用已经是大势所趋,港口码头尤其如此。大量钢结构裸露,加上复杂的水文环境,更需要实时监控结构的应力应变的变化。

但在光电光栅传感器的实验研究以及实际应用中,一直存在一个问题,那就是:被测基体的实际应变是否与测得的结果相一致。这一疑问产生主要是因为被测基体与纤芯之间并非直接连结,当中还隔着黏胶等。已有实验证明应变传递过程中必然会有损失,但有关传递模型的建立,各个学者都有不同的说法,总的来说都与期望值有出入,所以对于表面式光纤光栅传感效率的研究有必要进一步深入。

1.2.光纤光栅传感器的研究现状

目前光纤光栅传感器按分布方式分类主要分为表面式光纤光栅传感器和埋入式光纤光栅传感器,按用途分类可分为:应变传感器、温度传感器、位移传感器、加速度传感器和压力传感器等,如图1.4至1.7所示:

图1.4 应力传感器

图1.5加速度传感器

图1.6温度传感器

图1.7应变传感器

1.2.1埋入式光纤光栅传感器的研究

埋入式光纤光栅传感器的运用非常多,李东升[8]等和梁德志[9]等就有关埋入式光纤光栅传感器应变传递机理做出了一些探讨,对于埋入型光纤光栅传感器的理论研究有很大的推进作用。周雪芳[10]等人则对埋入式光纤光栅传感器应用最多的混凝土结构检测方面进行验证,确立了埋入式光纤光栅传感器的可靠性。

PEI Huafu[11]等提出用埋入式光纤光栅传感器预警滑坡、泥石流等自然灾害,同样证实其确有其他传感器所不及的优点。

1.2.2表面式光纤光栅传感器的研究

随着光纤光栅技术的日益成熟,FBG在国内众多领域都有广泛应用。土木工程中FBG主要用于对桥隧的健康状况监测,2015年杜彦良[12]、苏木标、刘玉红、王庆敏等人对武汉长江大桥提出长期健康监测及安全评估的研究方案,主要是利用分布式光电光栅传感器所采集的数据,在处理过后对桥体的老化情况进行分析。

图1.8 武汉长江大桥

孙阳阳、王源、章征林[13]等人于2016年发表的期刊报告也曾针对表面式光纤光栅应变传递机理进行过探索与研究,并验证了其模型的准确性和可行性。

光纤光栅作为目前来说最为稳定高效的传感器,在国际上也被多个国家的研究人员重视。Eugen Baitinger等人[14]在International Conference on Optical Fiber Sensors这一会议中就FBG粘附剂的诊断方法提出了分层诊断法,即Delamination- diagnosis- method, 且证实了这一想法的可行性。Ansari F[15]等人对于表面式光电光栅传感应变传递机理也有所研究,但其模型未考虑基体与被测材料的连接,欠缺考虑。Jun W U[16]等分析了影响表面式光纤光栅传感器传感效率的因素,得出环氧树脂能极大提升传递效率的结论。

1.3本文主要内容

本文的主要内容是对表面式光电光栅传感器应变传递效率进行理论推导和实验验证,结合轴向力作用下的表面式光纤光栅传感器应变传递效率理论模型,并考虑基体材料和多层结构的影响,推导出表面式光纤光栅传感器应变传递率公式。通过建立表面式光纤光栅传感器的物理模型,分别从模型的多层结构、基体材料弹性模量等因素来分析对传递效率的影响,并与实验结果进行对比分析,验证了物理模型的可靠性。

第二章 表面式光纤光栅传感器的应用

2.1表面式光纤光栅传感器的优势

2.1.1 表面式光纤光栅传感器的优势

大型水利工程中,水位预警与水工建筑应变的测量一直是其中的重点,一旦这些测量值超出安全范围,很有可能会造成无法预计的后果,给社会和国家留下非常严重的影响。但目前为止,仍有很多监测还是用的传统手段。与这些老旧的方法相比,光纤光栅传感技术具有其无可比拟的优越性[17-21],不仅对于多种环境因素相当敏感,而且精度也要高上几个数量级,测量数据实时处理,可以进行全方位全天候监测。

水利工程中引水隧洞有长期通水的特殊环境需求,其氧化腐蚀等会对一般的传感器造成结构损伤,导致其失准或损坏,加大隧洞的维护成本。而经由特殊设计的表面式光纤光栅应变传感器具有极强的耐腐蚀性。欧阳宏[2]通过对封装后(封装结构示意图如图2.1)的传感器进行盐雾试验的方法来验证传感器在特殊环境中的耐腐蚀性能,对老化试验的不同阶段的应变进行测试,分析论证经特殊封装处理后的传感器在腐蚀环境中的可靠性。

图2.1 光纤光栅传感器封装结构示意图

光纤布拉格光栅(FBG)传感器可以稳定地进行环境监测,可用来测量多种参数,如水位(如图2.2所示)、温度、压力和应力等。表面式光纤光栅传感器应用最多的是船舶结构等方面的测量。船舶因其载量大运费低的特点,成为了国际贸易往来的主要交通工具,但是航行环境复杂而又恶劣,船舶需要长期承受海浪冲击与海水腐蚀。这些都会威胁船体结构的安全,甚至威胁到人的生命安全。应变不但能反映船舶结构的强度,且也是船体材料特性的一个重要参数,从观测所得的应变分布情况就能够获知船体主要构件部分的强度信息,确定船体构件局部位置的应力集中以及船体构件所承受的实际载荷状况。

图2.2 液位仪实物图

李志峰[22]通过数值模拟的方法对工作船中部舱段及双体船连接桥处应力分布情况进行相关的研究,推断三用工作船和双体船结构监测点的位置及传感器的布置方法,传感器布置方法如图2.3所示。但他做的主要是船主体结构的静态应力强度监测,不能给出整船的健康状况,实际在监测过程中,还应结合实际,考虑荷载的可变性,也即模态动力学计算。

图2.3 常规船舶结构状态检测系统示意图

2017年,姜劭栋[23]等人还曾利用光纤光栅应变传感系统设计了一种基于非平衡 M-Z干涉仪的PGC解调系统,实现了船体应变信号的高精度实时解调。

通过以上这些实例,我们可以得出这样的结论:表面式光纤光栅传感器所表现出来的优势与实际监测要求可以完美契合。早在1994年5月[24],IMO(海上安全委员会)就曾推荐安装船体应力监测系统,以提高货船的安全性能。1998年时,美国海军研究院办公室就与CRMTC机构签订长达5年的合作协议,其中一个目标就是将FBG传感器的应用实装到海军舰船上,为舰船工作人员提供亟需的风险预警及船舶的安全情况。

2.2 水工结构的受力特点分析

2.2.1 港口水工建筑物的受力特点

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