表面粘贴式光纤光栅传感器动应变传递规律理论与实验研究

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在使用光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)应变传感器测量被测结构件应变过程中,应变传递率是影响测量精确度的最直接因素。与传统电阻应变片传感器相比,FBG应变传感器具有抗电磁干扰强、信号传输距离远,易于实现大规模分布式测量等优点,在桥梁、航空航天、机床等大型结构工程和强电磁场环境中应用广泛。现有传递率理论都是在被测基体结构承受静态载荷的基础上进行的研究,研究表明粘贴工艺对光纤光栅的静态应变传递能力有较大的影响,而在上述大型复杂的实际工况下,被测基体结构大多都是承受动态载荷。因此,有必要研究在被测基体结构承受动态载荷情况下,FBG应变传感器的动态应变传递规律。本文根据实际工程中动态应变测量需要,以FBG应变传感器为研究对象,基于结构动力学建立光纤光栅动应变传递的动力学模型,推导出光纤光栅对正弦激励的稳态表达式,探讨影响光纤光栅传感器动应变传递的因素,并通过实验研究验证动应变传递规律的有效性。本文的主要研究内容包括:首先介绍FBG应变传感器动应变传递率的研究目的和意义,总结表面粘贴式FBG应变传感器静态应变传递率和动态应变测量技术的国内外研究现状,并叙述应变传递理论在测量动态应变情况下的不足。接着基于结构动力学理论基础,建立表面粘贴式FBG应变传感器动应变传递的动力学模型,推导出动应变传递的动力学方程,以基体承受正弦信号载荷为例,得到沿光纤轴向各点的应变传递率和沿光纤光栅粘贴长度内的平均应变传递率的数学表达式,并运用MATLAB软件计算,分析模型中结构参数和激励参数对平均应变传递率的影响。然后运用ANSYS软件中的瞬态结构分析模块,对表面粘贴式FBG应变传感器的动应变传递模型进行大量的仿真分析,研究上述结构参数和激励参数对平均动应变传递率的影响,有效的验证理论计算中各个参数对平均动应变传递率影响的规律的有效性。最后,基于美国MTS810实验系统进行表面粘贴式FBG应变传感器动应变传递实验,通过单一变量控制法,来进行单个参数对动应变传递率影响规律的试验研究,验证动力学理论分析和有限元仿真分析的有效性。研究表明:激振频率、粘贴长度、粘贴厚度、和粘胶中间层厚度是影响动应变传递率的主要因素,粘贴宽度对动应变传递率影响较小。当激振频率远小于结构固有频率时,动应变传递率基本维持不变,实验测得动应变传递率为92%。在达到固有频率之前,动应变传递率随激振频率的增大缓慢增大。当粘贴长度大于光纤光栅栅区长度的2倍时,传递率明显优于粘贴长度较短者,实验动应变传递率为92%。FBG应变传感器动应变传递率随粘贴厚度的增大而减小,随粘胶中间层厚度的增大而减小,随粘贴宽度增大基本维持不变。上述研究结果表明,FBG应变传感器动应变传递率规律对运用表面粘贴式FBG应变传感器进行高精度动态应变测量时具有指导意义。
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