预埋式铠装光纤光栅传感器应变传递理论研究

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光纤光栅传感器作为目前一种新型的性能优越的传感器,在结构健康监测等各个领域作用越发突出。由于光纤光栅自身的一些缺陷和目前施工的特点,需要将这种光纤光栅制作成预埋式铠装光纤光栅传感器的形式,来很好地保护光纤光栅。但此类传感器在实际应用当中,由于保护层的关系使得结构自身的实际应变与光纤光栅感受到的测量应变存在差距。本文针对实际工程需要和目前传递理论不足,以预埋式铠装光纤光栅传感器为载体,对传感器传递关系、传递效率及影响因素做出了系统的理论分析和数值实验研究,得出了一系列有益结论和参考公式,为工程上选用传感器类型和数据测量的准确性提供依据,本文主要研究内容是:(1)在已有的光纤光栅传感器应变传递理论的基础上,采用了一些合理符合实际地假设,建立了轴向力作用下的预埋式光纤光栅传感器应变传递效率理论,并考虑基体材料和多层结构的影响,推导出含有基体剪切弹性模量多层预埋式铠装传感器长度范围内各点的应变传递率公式和整个长度范围内的平均应变传递率公式,得到一些有帮助结论,包括传递效率随基体弹性模量提高而增大,且当基体弹性模量低于10GPa时,传递效率改变率很大,以及中间层分层对传递效率也产生了一定的影响,为实际选取传感器提供有益参考。(2)采用ANSYS有限元软件,建立预埋式铠装光纤光栅传感器的有限元模型。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,并与之前理论公式计算结果进行对比分析,发现理论结果和有限元模拟结果有较高的符合度,但部分结果存在差异,发现当基体弹性模量越小的时候,理论公式计算结果与数值分析结论相差越大。(3)阐述了相似理论及经验公式推导方法,根据传递理论来确定研究的对象以及有限元数值实验来提供数据支持,运用相似准则函数理论建立低弹性模量基体应变传递效率经验公式,对理论公式做出修正分析,得到当基体弹性模量较小时的应变传递效率的经验公式,完善理论公式应用范围,为该预埋式铠装光纤光栅传感器的运用提供参考。
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