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FBG应变传感器应力疲劳极限传感寿命评估方法

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光子学报 2018年第1期47卷 100-105页

作者：舒岳阶吴俊周世良周远航重庆交通大学内河航道整治技术交通行业重点实验室重庆400074 重庆交通大学西南水运工程科学研究所重庆400016

光纤光栅应变传感器在应力疲劳作用下不可避免地出现性能衰退,为了评估其极限传感寿命,从光纤光栅传感原理出发,理论推导了应力疲劳作用引起的满度相对误差表达式,以工业仪表精确度等级作为传感器的极限状态阈值,提出了基于等强度梁的... 详细信息

光纤光栅应变传感器在应力疲劳作用下不可避免地出现性能衰退,为了评估其极限传感寿命,从光纤光栅传感原理出发,理论推导了应力疲劳作用引起的满度相对误差表达式,以工业仪表精确度等级作为传感器的极限状态阈值,提出了基于等强度梁的极限传感寿命测试方法.利用该方法评估了高桩码头结构健康监测应用环境中光纤光栅应变传感器的极限传感寿命,以满度相对误差变化4%作为极限失效阈值,对4支传感器进行了1.32亿应力疲劳实验.当疲劳至1.32亿次时,2支传感器达到极限传感寿命,1支传感器接近极限传感寿命,即极限传感寿命约为1.32亿次.实验结果表明,提出的方法能有效地测试不同结构健康监测需求下,光纤光栅应变传感器的应力疲劳极限传感寿命.

关键词：光纤光学极限传感寿命应力疲劳光纤光栅满度相对误差等强度梁

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高桩码头基桩损伤的光纤光栅传感阵列识别

光学精密工程 2021年第10期29卷 2349-2362页

作者：舒岳阶吴俊周世良王俊杰重庆交通大学西南水运工程科学研究所重庆400016 重庆交通大学内河航道整治技术交通行业重点实验室重庆400074 重庆西科水运工程咨询中心重庆400016

为了实现高桩码头基桩损伤的检测,对基桩挠度测量方法、静态损伤特征及损伤识别方法等进行了研究。基于应变与曲率、曲率与挠度的关系,采用两列对称布置的光纤光栅应变传感器阵列,实现了高桩码头基桩损伤前后挠度的测量;推导了多损伤条... 详细信息

为了实现高桩码头基桩损伤的检测,对基桩挠度测量方法、静态损伤特征及损伤识别方法等进行了研究。基于应变与曲率、曲率与挠度的关系,采用两列对称布置的光纤光栅应变传感器阵列,实现了高桩码头基桩损伤前后挠度的测量;推导了多损伤条件下的基桩挠度函数,分析了基桩损伤的静态特征,确定了损伤识别指标;提出了高桩码头基桩分段损伤识别方法,并通过数值仿真与物理模型实验进行了验证。数值计算结果表明,计算损伤与预设损伤的位置基本一致,损伤程度的测量误差最大为3.3%。物理模型实验表明,预设损伤位于实测损伤范围之内,且基桩截面损伤系数与实测损伤程度呈线性关系,线性度为0.8875,即光纤光栅传感器阵列能有效识别损伤。本方法对于损伤前后基桩均适用,且具有物理意义明确,不依赖优化算法,可长期监测等优点,满足高桩码头基桩损伤的监测需求。

关键词：光纤传感高桩码头基桩损伤识别光纤光栅挠度变化

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光纤光栅应力疲劳失效特征研究

光纤光栅应力疲劳失效特征研究

作者：舒岳阶重庆大学

学位级别：硕士

光纤光栅具有许多优良特性，广泛应用于土木工程、航空航天、石油化工和其他应力应变监测场合。但是，在实际工程应用中，光纤光栅长期处于变荷载环境中，应力疲劳作用会使得光纤光栅的传感性能逐渐蜕化，甚至完全失效。而疲劳失效的光... 详细信息

光纤光栅具有许多优良特性，广泛应用于土木工程、航空航天、石油化工和其他应力应变监测场合。但是，在实际工程应用中，光纤光栅长期处于变荷载环境中，应力疲劳作用会使得光纤光栅的传感性能逐渐蜕化，甚至完全失效。而疲劳失效的光纤光栅产生的错误信号可能会引导系统的执行机构做出错误的动作，进而带来严重的后果。因此，通过某些特征甄别已疲劳失效或将要疲劳失效的光纤光栅具有重要意义。本文在介绍光纤光栅应变传感原理的基础上，详细分析了光纤光栅应变传感器的组成及力学传递过程，随后分析了光纤光栅应变传感网络的组成，并指出光纤光栅是最容易出现疲劳蜕化的部分。介绍了现有的四种光纤光栅峰值检测算法，结合这四种算法详细分析了光谱质量对其传感的影响。将光谱畸变的类型分为三种，并详细分析了这三种畸变类型对中心波长检测结果的影响，并提出评价这三种畸变类型的指标。分析结果表明，边模抑制比、主瓣峰谷比和3dBm带宽这三个指标可以作为光纤光栅疲劳失效特征。建立了基于裂纹扩展的光纤光栅应力疲劳失效机理，详细分析了光纤光栅内应力的来源，应力疲劳与裂纹之间的相互作用，据此，将光纤光栅应力疲劳过程分为三个阶段：微裂纹形成阶段、微裂纹扩展阶段和光纤光栅断裂阶段。并利用传输矩阵法得到了裂纹作用下的光纤光栅反射光谱，通过实例仿真分析发现，应力疲劳导致光纤光栅反射光谱蜕化，且畸变的形式与实际的光谱畸变类型一致。从理论上证明边模抑制比、主瓣峰谷比和3dBm带宽这三个指标可以作为光纤光栅疲劳失效特征。设计了光纤光栅加速应力疲劳实验装置，并进行了一系列的疲劳实验。结合前述理论分析与实验结果，发现边模抑制比和3dBm带宽可以作为光纤光栅疲劳失效特征，并提出了疲劳失效判据：若边模抑制比小于5dBm且带宽大于等于0.3nm，则光纤光栅极有可能完全失效;若边模抑制比大于等于5dBm，小于等于10dBm，且带宽变化的历史数据不断增加，则该光纤光栅极有可能测得的数据不可靠;若边模抑制比大于10dBm，且带宽基本保持不变，则光纤光栅极有可能还能正常传感。提出的疲劳失效特征为甄别在役光纤光栅是否疲劳失效提供了判据。

关键词：光纤光栅应力疲劳失效特征

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基于激光入射光斑识别的非接触式波高测量

光学精密工程 2021年第9期29卷 2065-2074页

作者：吴俊舒岳阶曹师宝丘宇杭重庆交通大学西南水运工程科学研究所重庆400016 重庆交通大学内河航道整治技术交通行业重点实验室重庆400074 重庆西科水运工程咨询中心重庆400016

为了实现水工物理模型实验中波高这一重要参量的高精度测量,提出了一种基于激光入射光斑识别的非接触式波高测量方法。构建了波高测量装置的图像成像几何关系模型,研究了波高测量装置主要参数的确定方法。根据激光入水二值化图像特征构... 详细信息

为了实现水工物理模型实验中波高这一重要参量的高精度测量,提出了一种基于激光入射光斑识别的非接触式波高测量方法。构建了波高测量装置的图像成像几何关系模型,研究了波高测量装置主要参数的确定方法。根据激光入水二值化图像特征构造了激光入水特征模板,提出了激光光斑动态跟踪算法。最后,根据确定的结构参数与图像传感器参数,搭建了实验装置,对波高传感器进行了标定,并利用标定曲线对电动位移平台模拟的波浪进行了测量。实验结果表明:实测位移与电动位移平台设定的位移基本吻合,最大误差仅为0.65 mm。该方法基本满足水工物理模型实验波高测量的高精度、非接触与高动态性等需求。

关键词：激光测量水工物理模型激光光斑二值化图像图像识别波高测量

锚头植入式应变均化光纤布喇格光栅测力传感器

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光子学报 2015年第7期44卷 89-94页

作者：吴俊陈伟民舒岳阶刘礼华赵霞重庆交通大学西南水运工程科学研究所重庆400016 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室重庆400030 江苏法尔胜集团江苏无锡214433

将整个光纤布喇格光栅栅区的非均匀应变简化为多个受到均匀轴向应变光纤光栅基元的级联作用,仿真分析了锚头典型锚固深度非均匀应变对光纤布喇格光栅输出光谱的影响,结果表明明常规光纤布喇格光栅无法适用于斜拉索锚头内部轴向非均匀应... 详细信息

将整个光纤布喇格光栅栅区的非均匀应变简化为多个受到均匀轴向应变光纤光栅基元的级联作用,仿真分析了锚头典型锚固深度非均匀应变对光纤布喇格光栅输出光谱的影响,结果表明明常规光纤布喇格光栅无法适用于斜拉索锚头内部轴向非均匀应变测量.为了克服非均匀应变对光纤布喇格光栅应变测量效果的影响,提出了利用毛细管对光纤布喇格光栅栅区进行应变隔离的新型应变均化传感器结构,并对传感器的测量原理与力学特性进行分析,得出毛细管材料与壁厚选型的基本公式.利用碳纤维复合材料作为封装材料,试制出应变均化FRP-OFBG测力传感器,并进行了力学拉伸试验.试验结果表明该传感器具有良好的应变传感性能,且测量量程、刚度满足测量要求.将两只传感器植入试验缆索进行实索张拉试验,缆索张拉过程中,同步监测的光纤布喇格光栅输出光谱未受锚头非均匀应变影响,说明利用毛细管对锚头应变均化的传感器结构方案可行,且光纤布喇格光栅反射谱中心波长与缆索张力呈较好的线性关系,说明锚头植入传感器与锚头结合良好,测力功能满足索力测量需求.

关键词：智能缆索光纤布喇格光栅应变均化锚头毛细管封装碳纤维复合材料实索试验

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大型港工系船柱结构安全监测方法与实验

光学精密工程 2021年第7期29卷 1631-1639页

作者：吴俊舒岳阶周世良柏鲁勇曹师宝重庆交通大学西南水运工程科学研究所重庆400016 重庆交通大学内河航道整治技术交通行业重点实验室重庆400074 重庆西科水运工程咨询中心重庆400016 宁波正信检测科技有限公司宁波315000

现有的结构安全监测方法尚无法完全满足复杂系泊条件下系船柱结构安全监测的需要。针对系船柱结构及系缆特点,提出了标准条件系缆力的概念与指标。以此为基础,依据弹性力学原理推导了标准条件系缆力反演模型,并根据缆力方向的范围与反... 详细信息

现有的结构安全监测方法尚无法完全满足复杂系泊条件下系船柱结构安全监测的需要。针对系船柱结构及系缆特点,提出了标准条件系缆力的概念与指标。以此为基础,依据弹性力学原理推导了标准条件系缆力反演模型,并根据缆力方向的范围与反演模型的应变监测点要求,研究了系船柱表面多点应变布置方案,提出了基于多点应变融合的系船柱结构受力安全监测方法。针对系船柱应变分布特点与长期监测要求,研究提出了应变均化的布拉格光纤光栅传感器表面焊接传感方案,并在1 500 kN系船柱上成功部署了5支应变传感器与1支温度传感器,开展了长时间连续监测。通过分析标准条件反演缆力与船舶实际缆力值,标准条件系缆力反演误差最大为8.1%。证明该方法具有较强的可行性与操作性,能有效实现港工既有系船柱结构的安全状态监测与预警。

关键词：系船柱标准条件系缆力反演模型结构安全监测多点应变融合

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水工物理模型水下高精度超声水位测量

光学精密工程 2020年第9期28卷 2027-2034页

作者：舒岳阶吴俊周远航马御风周世良重庆交通大学西南水运工程科学研究所重庆400016 重庆交通大学内河航道整治技术交通行业重点实验室重庆400074 重庆西科水运工程咨询中心重庆400016

针对现有水下超声波水位测量方法精度偏低,无法满足水工物理模型实验测量需求的问题,分析了水下超声波水位测量误差来源和误差量级,综合考虑水声速与渡越时间对测量精度的影响,提出了一种水下高精度超声水位测量方法。首先,分析了超声... 详细信息

针对现有水下超声波水位测量方法精度偏低,无法满足水工物理模型实验测量需求的问题,分析了水下超声波水位测量误差来源和误差量级,综合考虑水声速与渡越时间对测量精度的影响,提出了一种水下高精度超声水位测量方法。首先,分析了超声波换能器间隙误差对声速测量精度的影响,提出了间隙误差计算方法,从原理上消除了水体环境变化对水位测量精度的影响;其次,基于超声波回波信号的包络形态不变原则,采用归一化包络时差法检测超声波渡越时间,并给出了离散数值计算算法流程,以减小信号衰减特性的渡越时间检测的影响。理论分析表明,该方法能从水声速和渡越时间两方面同时减小水位测量误差。为了验证本方法的可行性,开发了实验样机,并进行了计量检定实验,实验结果表明,在400 mm量程范围内,水位测量误差小于0.1 mm,满足水工物理模型实验高精度水位测量需求。

关键词：水工物理模型高精度超声水位间隙误差包络检测

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非栅区封装光纤布喇格光栅应变传感特性研究

光子学报 2016年第2期45卷 79-83页

作者：吴俊陈伟民余葵马希钦舒岳阶重庆交通大学西南水运工程科学研究所重庆400016 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室重庆400030

针对表面粘贴式非栅区封装结构,依据变形等效原理,推导了该结构的应变传递函数,仿真分析了非栅区封装中间段长度与封装材料弹性模量对应变传递效率的影响.分别采用有机环氧胶与金属锌,将两只光纤布喇格光栅用非栅区封装方式固定在同一... 详细信息

针对表面粘贴式非栅区封装结构,依据变形等效原理,推导了该结构的应变传递函数,仿真分析了非栅区封装中间段长度与封装材料弹性模量对应变传递效率的影响.分别采用有机环氧胶与金属锌,将两只光纤布喇格光栅用非栅区封装方式固定在同一根钢丝上,进行拉伸试验,试验结果表明:两种材料的拉伸曲线线性度均达到0.99以上,表明两种封装材料的应变传递一致性较好;金属锌封装结构的应力感知灵敏度平均值为0.142 6nm/KN,环氧有机胶封装结构的应力感知灵敏度平均值为0.130 4nm/KN;各种应变值下,金属锌封装结构的应变传递系数均稳定在0.995左右,而环氧有机胶封装结构的应变传递系数在0.91左右上下波动,金属锌的应变传递效率较有机环氧胶高了近9.34%.试验结果与数值仿真结果较为吻合,可为非栅区封装光纤布喇格光栅传感器的设计提供依据.

关键词：光纤传感光纤布喇格光栅表面粘贴式非栅区封装栅区封装弹性模量应变传递效率

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冷铸锚头性能光纤监测

交通运输工程学报 2019年第6期19卷 37-44页

作者：吴俊周世良舒岳阶曹师宝周远航重庆交通大学重庆西南水运工程科学研究所重庆400016

为监测冷铸锚头性能,分析了其结构受力特点,建立了锚头内钢丝与改性环氧填料微元体静载平衡模型,分析了钢丝与环氧填料间黏接应力对钢丝应力分布特性的影响,将锚头的失效表征为黏接应力的奇异变化,提出了通过测量钢丝轴向多点应力分布... 详细信息

为监测冷铸锚头性能,分析了其结构受力特点,建立了锚头内钢丝与改性环氧填料微元体静载平衡模型,分析了钢丝与环氧填料间黏接应力对钢丝应力分布特性的影响,将锚头的失效表征为黏接应力的奇异变化,提出了通过测量钢丝轴向多点应力分布实现对锚头性能状态无损监测的新方法;针对LMLPES-7-211型锚头,利用有限元方法分析了锚头内钢丝的轴向应力分布特性;根据冷铸锚头内非均匀应变特性与恶劣环境要求,提出了毛细管封装的应变均化拉丝塔光栅(DTG)测量方案,开发了冷铸锚头植入式专用分布式应变传感器;进行了缆索锚头性能状态监测模拟试验,分别将2个分布式DTG应变传感器植入锚头1(性能正常)与锚头2(性能异常)内,对锚头标准受力状态下钢丝分布式应变进行监测。分析结果表明:锚头1、2内钢丝分布式应变呈现较大的差异性,锚头1内应变衰减趋势较为平滑,与有限元仿真结果比较误差小于5%,锚头2应变衰减趋势平滑性不足,且与有限元结果比较最大误差超过40%;性能衰退会导致近锚固始端区段的黏接应力大幅下降,最大达到-2.55 MPa,靠近分丝底板锚固区段的黏接应力大幅增加,增加量达到3.25倍。通过设置黏接应力合理偏离阈值,就可实现对锚头结构性能状态的在线监测与预警。

关键词：桥梁工程性能监测光纤分布式传感冷铸锚头黏接应力应变均化拉丝塔光栅