基于光纤光栅传感网络的梁变形重构研究毕业论文

 2020-04-08 02:04

摘 要

结构的变形、应变是工程项目中常见的问题,长时间的变形或是过量的变形会影响到结构的使用和寿命。因此,对结构的变形、应变进行准确的监测是十分重要的。梁结构是十分常见的一种结构,在各种工程中都有大量的使用,本文就对梁结构的进行了重构变形分析,它通过光纤光栅传感网络进行数据监测,包括以下几个方面:

首先,选择了光纤光栅传感器,要弄清传感器的工作原理,使用方法,分析其怎样对应变进行传递及影响传递应变的因素。

其次,研究讨论了一种基于光纤光栅传感网络的应变信息曲率信息转换关系的分段拟合变形重构方法和基于双重积分的变形重构方法。

最后,进行实验,将光纤光栅传感器测得的数据通过上述重构方法进行变形重构,验证重构方法的可行性。

关键词:光纤光栅 变形监测 梁结构 变形重构

Abstract

Deformation and strain of structures are common problems in engineering, which will affect the service and life of structures. Therefore, it is very important to accurately monitor the deformation and strain of structures. Beam structure, a structure is very common in various engineering has a lot of use, this article is to reconstruct the deformation analysis of beam structure, through the optical fiber grating sensor network for monitoring, including the following aspects:

First of all, the fiber grating sensor is selected to understand the working principle of the sensor, to use the method, and to analyze how it transmits the strain and the factors that influence the transfer strain.

Secondly, a deformation reconstruction method based on the curvature information conversion relation of strain information based on fiber Bragg grating sensor network and a deforming method based on double integral are discussed.

Finally, an experiment is carried out, and the measured data are reconstructed through the above reconstruction method, so as to verify the feasibility of the method and conduct error analysis.

Key Words: Fiber Bragg grating Deformation monitoring

Beam structure Deformation of refactoring

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2本文研究的主要内容 1

第2章 光纤光栅传感器 3

2.1 光纤光栅传感器工作原理 3

2.2光纤光栅传感器的复用技术 4

2.3光纤光栅传感器的分布方式 7

2.4光纤光栅传感器与梁结构的集成方法 8

2.5本章小结 8

第3章 梁结构的变形重构研究 10

3.1分段拟合方法研究 10

3.2双重积分方法重构变形研究 13

3.3 本章小结 15

第4章梁的变形重构实验 17

4.1实验的设计 17

4.2实验结果分析 19

4.3本章小结 21

第5章总结 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1研究背景

变形是常见的一种现象,物体的热胀冷缩就是一种常见的变形。当物体收到外力时也会变形。一般来说,物体的变形会对本身的性能产生影响。对于某一材料结构而言,变形会影响它的使用,对于某工程而言,变形会影响工程的安全。

梁结构是板材的一种简化,许多跟梁可以组成一个板面,在工程中,梁和板这些结构被广泛的使用。上至航空航天,下至深海潜艇都要用到梁或者板材类结构。在这些精密工程中一点微小的变形都有可能产生重大的问题,因此对这些结构的变形监测是必不可少的。

对于变形的监测,传统的方法是以电气测量为主,例如采用位移传感器,加速度传感器,激光位移传感器等方法。这些方法大多是直接测量结构的变形位移,具有精度高、实时性好的优点。但是在许多领域,由于传统测量方法的传感器一般体积较大,传感器的放置已经成为变形监测的一大难点,这是制约传统监测方法发展的一大难题。

光纤布拉格光栅传感器是近几十年来快速发展的一项新型的传感器。目前已经在位移,加速度,温度等监测领域取得了重大的发展,并且在军事,民用领域得到广泛的应用。

在前人的研究中,利用光纤光栅传感器监测变形已经取得了重大的成果,已经从理论研究走向实际应用。本研究是在在前人的研究基础上,对重构算法进行了部分的研究。

1.2本文研究的主要内容

本文首先介绍光纤光栅传感器的传感原理,并讨论了怎样利用光纤光栅传感器来获取更可靠,更能全面反映梁变形的数据。

本文主要是对梁结构变形重构算法的研究。根据光纤光栅传感器所能够测得的数据及通过加工所能得到的更深一步的信息对梁的变形重构进行了研究。讨论了一种关于梁曲线的分段拟合重构方法和基于双重积分的重构方法。

本次研究最后通过实验来验证,对于等强度梁,在不同的加载下,通过光纤光栅传感器采集梁上不同点的的应变信息,根据梁的变形重构方法进行梁的变形曲线拟合,结果发现本文中讨论的两种重构算法具有一定的可行性。

第2章 光纤光栅传感器

光纤光栅传感器是最近几十年发展起来的新型传感器,能够实现对温度、应变等物理量的直接测量。相比于普通的应变片式传感器,光纤光栅传感器具有许多优点,光纤光栅传感器的抗电磁干扰能力比较强,可靠性高;由于制作光纤光纤的材料大多是石英晶体,因此光纤光栅传感器的稳定性好,抗化学腐蚀性能也优于传统应变片传感器;光纤光栅传感器能实现远距离的信号传输,传输损耗小;多个光纤光栅传感器可以组成一个传感器网络来对结构进行全方位的同事的检测资源利用率高。

2.1 光纤光栅传感器工作原理

光纤中传输的光波携带有被测物体的特征信息,而光波的特征信息(振幅、相位等)会随着外界环境的变化而变化,因此,光纤光栅可以用作测量各种物理量的传感原件。通过测量光波各个特征量的变化,就可以实现对环境中不同物理量的测量。

当有一束宽带光源入射进光纤布拉格光栅时,布拉格光栅会对入射的宽带光源进行选择性的反射,反射光的光波具有一个中心波长,通过解调仪来接收并分析这种反射波就可以得到所要测的物理量。当材料结构因为作用力或者环境温度产生变化即结构产生变形后,会带动粘贴在结构上的光纤光栅产生形变,使得光栅栅距发生变化,而当光栅的栅距产生变化时,光纤光栅反射光波的中心波长就会改变。

图2.1 光纤光栅传感器原理示意图

布拉格波长由光栅的的条纹周期与光栅的有效折射率决定,可以表示为:

(2.1)

在上式中,表示光栅的布拉格波长,neff表示光栅的有效折射率,为光栅的条纹周期。当外界温度变化或是被测结构产生形变时,光栅的有效折射率会发生变化,则光纤光栅传感器的中心波长变化量为:

(2.2)

在上式中,Pe为光弹系数一般取值为0.22,为温度膨胀系数,为中心波长偏移量。

2.2光纤光栅传感器的复用技术

光纤光栅传感器是通过光信号的波长信息来反映被测物理量的,而在光纤中,波长信息不容易被干扰,光纤光栅的这种特性很好地使系统的抗干扰能力得到增强。随着科学测量技术的发展,单个的光纤光栅传感器已经不能满足测量的需求了,由此产生了传感器的阵列测量,而传感器阵列的产生促进了光纤光栅传感器复用技术的发展。光纤光栅传感器的多路复用方法是根据光信号的特征参数(波长、相位、偏振态、传输方向和振幅)演变出来的。根据复用方式的频域,时域和空间特性、从网络拓扑结构的角度出发,可以将光纤光栅传感器的复用方法分为波分复用技术(WDM)、空分复用技术(SDM)、时分复用技术(TDM)、频分复用技术(FDM)、相干复用技术(CDM)等。

2.2.1 波分复用技术

波分复用技术是光纤光栅传感网络最直接的一种复用方式。将不同反射波长的布拉格光栅通过串联的方法连接在一起,通过耦合器连接在解调仪上。将光栅粘贴在结构的不同部位,光栅会因为结构的变形而变形,变形后的布拉格光栅反射回来的光波特征量就发生了变化,通过解调仪进行分析就能得到需要的信息。在使用波分复用的光纤光栅传感器系统中,所有的光栅使用同一个宽带光源,因此,每个光栅的反射波长必须在光源的光谱范围类,并且不能产生重叠,这在一定程度上限制了传感器的个数。但是,这样使得系统的信噪比得到提高,保证了测量数据的正确性。

图2.2波分复用技术

2.2.2 空分复用技术

空分复用技术采用传感器的并行结构。空分复用系统中,每一根光纤光栅连接一条信号传输通道,工作时,每次只有一个传输通道被选通来传递光波信号,这样能保证每根光纤光栅互不影响,当光纤光栅传感器阵列中有一个损坏时并不影响其他传感器工作,而且复用系统不受带宽的影响。

图2.3 空分复用技术

上述两种方法各有优缺点,波分复用技术最为简单直接,对信号传输通道的利用率最高,但是如果串联的多个传感器其中某个发生断裂会影响整个传感阵列的使用;空分复用技术的优点在于每个传感器单独工作互不影响,抗串扰能力强,但是使用了大量的传输通道,降低了通道的利用率。

2.2.3时分复用技术

使用波分复用网络时,光纤光栅传感器数量受到光波频谱的限制,而时分复用技术的发展就很好的解决了这个问题。

在时分复用网络中,光源以脉冲的方式向光纤发射一束光,每一个传感光栅的反射光波都有不同的时间延迟。当光源发出短脉冲后,波长监测系统即解调仪能收到多个反射光波,每个反射光波都相对应一个时间延迟和一个的传感光栅。根据反射光波的时间延迟就可以区分对应的传感光栅。

图2.4时分复用技术

时分复用网络的使用可以解决光纤光栅传感器传感器抢夺有限频带的问题,但当传感器数量过多时,不能进行实时测量。

2.2.4频分复用技术

图2.5 频分复用技术

将可调谐光源的幅度频率按三角形线性变化的信号调制,再用光源照射具有不同时间延迟的光纤光栅,反射光经过探测器可以转换为电压信号,然后再乘以原始的三角波信号,两个相乘信号是有时间延迟的,并且它们所对应的调频频率不同,因此会产生拍频信号,而频率是随时间线性变化的,因此,对同一时延的光纤光栅,拍频相等;而对于时间延迟不同的光纤光栅,拍频是不相等的。光纤的复用通过利用拍频的差异可以实现。

2.2.5相干复用技术

图2.6相干复用网络

如上图所示,光纤光栅传感器的各个光栅和凡涉及通过耦合器和准直镜构成迈克尔逊干涉仪,压电陶瓷(PZT)的作用是调制两臂之间的光程差。当反射镜的光程调整到和某个光栅相接近,且可调谐滤波器允许该光栅的反射光通过时,在光探测器上可以看到和PZT上调制信号相应的干涉信号。调整反射镜的位置就可以分别监测不同的传感光栅。

2.3光纤光栅传感器的分布方式

对于本次研究的对象梁结构来说,根据材料力学知识,当收到外力时,梁上任意一点的线应变为:

(2.3)

上式中,y为梁上某一层距离中性层的距离,为对应点的曲率。因此,只需要讨论梁轴线上的应变与变形即可。

为了使测量数据更能反映真实情况,传感器网络有如下设计原则:首先要对结构进行有限元分析,得到结构在不同加载下的线应变云图,按照应变集中度高,变化快的区域,应该加大光纤光栅传感器的分布密度;应变集中度低,变化平缓的区域,可以适当降低光纤光栅传感器的分布密度。这样才能更有效的利用传感器,能够最大程度的还原结构变形情况。

对于梁结构,一般来说有三种光纤光栅传感器的分布方案:等分分布、比例分布、混合分布。等分分布和比例分布的方法适合受力简单的情况,当梁受到复杂力作用时,选择混合分布的方法最能真实的反映出梁结构的应变变形情况。

2.4光纤光栅传感器与梁结构的集成方法

光纤光栅是很脆弱的东西,极易损坏。光纤光栅与梁有两种结合方法,一是裸光栅直接粘贴在梁上面,二是将光栅先行粘贴在应变片上,再将应变片固定粘贴在梁上。

裸光栅粘贴法执行起来比较简单,但是要防止粘贴式光纤光栅断裂。

假若使用第二种方法就要选择合适的弹性元件制作应变片,还要考虑应变片对光纤光栅的影响。当外界环境温度发生变化时,应变片会产生形变,这个形变会与梁本身的形变叠加进而被光纤光栅传感器感受到,使得测量产生误差。为了减小测量的系统误差,可以在粘贴光纤光栅前通过施加预应力的方法减小应变片的热胀冷缩现象对光纤光栅的影响。

现阶段,粘贴光纤光栅时使用最多的粘接剂是AB胶。AB胶的粘接性能在粘接剂中是良好的,能够有效的将光纤光栅与结构粘合在一起。在进行光纤光栅粘贴时,要先将AB胶混合均匀,这样AB胶才会硬化。注意不要涂抹太多的胶水,过大的胶层厚度会影响光纤光栅的应变传递。

2.5本章小结

本章首先从光纤光栅传感器的工作原理出发,分析其工作原理。然后介绍光纤光栅传感器的使用方法,单个的传感器只能测量某一点的应变,但是当使用光纤光栅传感器网络时,可以得到结构应变的应变矩阵。使用传感器网络需要了解光纤光栅传感器的复用技术。再讨论光纤光栅传感器与梁结构的集成,光纤光栅传感器与梁的集成是很关键的一步,这影响到光纤光栅传感器测得的数据是否准确。

梁结构的变形重构研究

在本章节中,讨论研究了两种关于梁结构的变形重构方法。

3.1分段拟合方法研究

梁曲线变形重构的步骤:获取梁的曲率信息,将离散曲率信息的连续化,基于曲率信息的进行梁曲线的变形重构。

光纤光栅传感器的中心波长变化偏移量可以转化为结构在该点应变值,而通过该点的应变值可以得到该点的曲率信息。在被测物体表面粘贴光纤光栅传感器阵列,可以得到应变阵列从而得到曲率阵列。结构应变与曲率关系如下:

图3.1曲率与应变关系

如上图所示,假设发生应变的弧段的长度为S,厚度为h,根据工程力学知识,纯弯曲变形时中性面的长度不会发生变化,则可以建立如下的方程:

(3.1)

化简可以得到:

(3.2)

上式中,为变形弧段弧长的拉伸量,为变形弧段的圆弧半径,为该弧段的圆心角,该弧段的应变。

在忽略温度对光纤光栅产生的影响后,由光纤光栅传感器工作原理可知:

(3.3)

联立(3.2)和(3.3)可以得到被测点的曲率:

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