【免费下载】光纤光栅应变传感器实验讲义

实验光纤布拉格光栅（FBG）应变实验研究【实验目的】1)了解光纤光栅传感器基本原理及FBG应变测量的基本公式。2)了解飞机驾驶杆弹性元件的力学特性。3)学习光纤光栅应变测量的基本步骤和方法。【实验原理】1.光纤光栅传感器的基本原理及FBG应变测量的基本公式光纤布喇格光栅（FiberBragggrating,FBG）用于传感测量技术，主要是通过外界物理量的变化对光纤光栅中心波长的调制来获取传感信息，因此它是一种波长调制型的光纤传感器。FBG传感原理如图1所示。图1中，当一束入射光波进入FBG时，根据光纤光栅模式耦合理论，当满足满足相位匹配条件时，反射光波即为FBG的布喇格波长B，B与有效折射率neff和光栅周期的关系为（1)Λ2effBn由式(1)可以知：neff与的改变均会引起光纤光栅波长的改变，而且neff与的改变与应变和温度有关。应变和温度分别通过弹光效应与热光效应影响neff，通过长度改变和热膨胀效应影响周期，进而使B发生移动。将耦合波长B视为温度T和应变的函数，略去高次项，则由应变和温度波动引起的光纤光栅波长的漂移可表示为(2)effeffB22nnI透射光谱I输入光谱反射光谱波长漂移I输入光波反射光波透射光波加载物理量，如应变，温度图1FBG传感原理示意图3、管路敷设技术通过管线敷设技术，不仅可以解决吊顶层配置不规范高中资料试卷问题，而且可保障各类管路习题到位。在管路敷设过程中，要加强看护关于管路高中资料试卷连接管口处理高中资料试卷弯扁度固定盒位置.保护层防腐跨接地线弯曲半径标高等，要求技术交底。管线敷设技术中包含线槽、管架等多项方式，为解决高中语文电气课件中管壁薄、接口不严等问题，合理利用管线敷设技术。线缆敷设原则：在分线盒处，当不同电压回路交叉时，应采用金属隔板进行隔开处理；同一线槽内，强电回路须同时切断习题电源，线缆敷设完毕，要进行检查和检测处理。4、电气课件中调试技术对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料试卷相互作用与相互关系，根据生产工艺高中资料试卷要求，对电气设备进行空载与带负荷下高中资料试卷调控试验；对设备进行调整使其在正常工况下与过度工作下都可以正常工作；对于继电保护进行整核对定值，审核与校对图纸，编写复杂设备与装置高中资料试卷调试方案，编写重要设备高中资料试卷试验方案以及系统启动方案；对整套启动过程中高中资料试卷电气设备进行调试工作并且进行过关运行高中资料试卷技术指导。对于调试过程中高中资料试卷技术问题，作为调试人员，需要在事前掌握图纸资料、设备制造厂家出具高中资料试卷试验报告与相关技术资料，并且了解现场设备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。5、电气设备调试高中资料试卷技术电力保护装置调试技术，电力保护高中资料试卷配置技术是指机组在进行继电保护高中资料试卷总体配置时，需要在最大限度内来确保机组高中资料试卷安全，并且尽可能地缩小故障高中资料试卷破坏范围，或者对某些异常高中资料试卷工况进行自动处理，尤其要避免错误高中资料试卷保护装置动作，并且拒绝动作，来避免不必要高中资料试卷突然停机。因此，电力高中资料试卷保护装置调试技术，要求电力保护装置做到准确灵活。对于差动保护装置高中资料试卷调试技术是指发电机一变压器组在发生内部故障时，需要进行外部电源高中资料试卷切除从而采用高中资料试卷主要保护装置。由式(2)可知光纤光栅中心波长漂移量对轴向应变和环境温度变化T比较敏感。通过测量FBG中心波长的变化，就可测量外界物理量的变化值（如应变、温度等）。光纤光栅轴向应变测量的一般公式为，也是裸光纤光栅轴向应变测量的eBBz1p计算公式。由上式可知，Bz和存在线性关系，因此通过解调装置检测出布拉格波长的偏移量，就可以确定被测量的变化。2.飞机驾驶杆弹性元件的力学特性杆力传感器弹性元件采用平行梁形式，其结构如图2所示。弹性元件由互相交叉90°的两对关联平行梁组成一个测力悬杆，其中一组感受纵向作用力，另一组感受横向作用力，上下部分连为一体，增加了梁的刚度，提高了梁的固有频率并具有良好的散热条件。对其中每一方向作用力，由于其侧向刚度大，于是侧向负载能力强，与施加力平行的一对平行梁轴向应变可以忽略不计，外加力主要使与作用方向垂直的一对平行梁变形。杆力传感器弹性元件为方框平行梁结构，为便于分析和简化计算，将方框平行梁简化为一超静定刚架，力学模型如图3(a)所示。因为刚架计算通常忽略轴力对变形的影响，力学模型又可进一步简化为一个反对称载荷作用的刚架，简化后的力学模型如图3(b)所示，其中P=1/2P0。将受反对称载荷作用的刚架沿水平对称轴截开，这时垂直梁的截面上有三对内力力，即一对剪力X、一对轴力N、一对弯矩M，多余约束力如图3(c)所示。根据结构力学反对称结构对称的外力为零的图2弹性元件结构简图xyz(纵向)(横向)纵向力F横向力F图3简化后的模型(a)超静定刚架结构载荷P0aLbh(c)多余未知力图载荷P载荷PXMN(b)简化后力学模型载荷P载荷PaLABCD3、管路敷设技术通过管线敷设技术，不仅可以解决吊顶层配置不规范高中资料试卷问题，而且可保障各类管路习题到位。在管路敷设过程中，要加强看护关于管路高中资料试卷连接管口处理高中资料试卷弯扁度固定盒位置.保护层防腐跨接地线弯曲半径标高等，要求技术交底。管线敷设技术中包含线槽、管架等多项方式，为解决高中语文电气课件中管壁薄、接口不严等问题，合理利用管线敷设技术。线缆敷设原则：在分线盒处，当不同电压回路交叉时，应采用金属隔板进行隔开处理；同一线槽内，强电回路须同时切断习题电源，线缆敷设完毕，要进行检查和检测处理。4、电气课件中调试技术对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料试卷相互作用与相互关系，根据生产工艺高中资料试卷要求，对电气设备进行空载与带负荷下高中资料试卷调控试验；对设备进行调整使其在正常工况下与过度工作下都可以正常工作；对于继电保护进行整核对定值，审核与校对图纸，编写复杂设备与装置高中资料试卷调试方案，编写重要设备高中资料试卷试验方案以及系统启动方案；对整套启动过程中高中资料试卷电气设备进行调试工作并且进行过关运行高中资料试卷技术指导。对于调试过程中高中资料试卷技术问题，作为调试人员，需要在事前掌握图纸资料、设备制造厂家出具高中资料试卷试验报告与相关技术资料，并且了解现场设备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。5、电气设备调试高中资料试卷技术电力保护装置调试技术，电力保护高中资料试卷配置技术是指机组在进行继电保护高中资料试卷总体配置时，需要在最大限度内来确保机组高中资料试卷安全，并且尽可能地缩小故障高中资料试卷破坏范围，或者对某些异常高中资料试卷工况进行自动处理，尤其要避免错误高中资料试卷保护装置动作，并且拒绝动作，来避免不必要高中资料试卷突然停机。因此，电力高中资料试卷保护装置调试技术，要求电力保护装置做到准确灵活。对于差动保护装置高中资料试卷调试技术是指发电机一变压器组在发生内部故障时，需要进行外部电源高中资料试卷切除从而采用高中资料试卷主要保护装置。理论，因轴力N、弯矩M都是对称的，所以对称内力抵消，可以忽略。只有反对称的剪切力X存在。为解除原结构中的多余应力使之成为静定结构，截断了垂直梁，超静定次数为1。选取图3(c)结构为基本系，利用弹性系统求解位移的图形互乘法，计算基本系的柔度系数11和自由项1p(3)231211122EIaEILa(4)1214EIPaLp将11和1p带入力法正则方程式1=X11+1p=0中，并令垂直梁与平行梁的刚度比为I2L/I1a=K，则可以计算剪切力X为(5)aPLKKXp2166111上下两个平行梁的弯矩可以表示为(6)41662DCPLKKXaMM(7)41626241662BAPLKKPLPLKKXaMM由公式(4)、(5)可以知道，当刚度比K值不大时，平行梁上弯矩的零点，在靠近加载点一侧；当刚度比K值很大时，平行梁上弯矩的零点趋于中点，即：MA=MB=PL/4，MC=MD=-PL/4。工程应用中，K值很大，我们可以认为平行梁弯矩零点就在其中点处。正是由于弹性元件平行梁的这种受力弯曲结构，光纤光栅两点的粘贴位置应位于平行梁的上半部分或者下半部分，否则由于两边应变方向相反，会出现光纤光栅应变抵消的现象，影响传感器的灵敏度。当弹性元件平行梁的C、D两端为自由端时，外力载荷作用下，平行梁上的弯矩MA=MB=PL/2，MC=MD=0；而实际情况C、D两端不是自由的，平行梁除了受外加载荷力外，还受一未知剪力X作用，使得平行梁的弯矩发生变化，平行梁中点处的弯矩为零，两端弯矩最大且大小相等方向相反。根据这种情况，可以仅把平行梁的一半看做是一个矩形悬臂梁，按照悬臂梁的结构进行计算，只是悬臂梁的长度应为平行梁长度的一半。3、管路敷设技术通过管线敷设技术，不仅可以解决吊顶层配置不规范高中资料试卷问题，而且可保障各类管路习题到位。在管路敷设过程中，要加强看护关于管路高中资料试卷连接管口处理高中资料试卷弯扁度固定盒位置.保护层防腐跨接地线弯曲半径标高等，要求技术交底。管线敷设技术中包含线槽、管架等多项方式，为解决高中语文电气课件中管壁薄、接口不严等问题，合理利用管线敷设技术。线缆敷设原则：在分线盒处，当不同电压回路交叉时，应采用金属隔板进行隔开处理；同一线槽内，强电回路须同时切断习题电源，线缆敷设完毕，要进行检查和检测处理。4、电气课件中调试技术对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料试卷相互作用与相互关系，根据生产工艺高中资料试卷要求，对电气设备进行空载与带负荷下高中资料试卷调控试验；对设备进行调整使其在正常工况下与过度工作下都可以正常工作；对于继电保护进行整核对定值，审核与校对图纸，编写复杂设备与装置高中资料试卷调试方案，编写重要设备高中资料试卷试验方案以及系统启动方案；对整套启动过程中高中资料试卷电气设备进行调试工作并且进行过关运行高中资料试卷技术指导。对于调试过程中高中资料试卷技术问题，作为调试人员，需要在事前掌握图纸资料、设备制造厂家出具高中资料试卷试验报告与相关技术资料，并且了解现场设备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。5、电气设备调试高中资料试卷技术电力保护装置调试技术，电力保护高中资料试卷配置技术是指机组在进行继电保护高中资料试卷总体配置时，需要在最大限度内来确保机组高中资料试卷安全，并且尽可能地缩小故障高中资料试卷破坏范围，或者对某些异常高中资料试卷工况进行自动处理，尤其要避免错误高中资料试卷保护装置动作，并且拒绝动作，来避免不必要高中资料试卷突然停机。因此，电力高中资料试卷保护装置调试技术，要求电力保护装置做到准确灵活。对于差动保护装置高中资料试卷调试技术是指发电机一变压器组在发生内部故障时，需要进行外部电源高中资料试卷切除从而采用高中资料试卷主要保护装置。图3(c)每一个梁都可以看做是矩形悬臂梁结构，对于光纤光栅式驾驶杆力传感器，我们可以根据矩形悬臂梁的应变情况分析，只是由于弹性元件应变的特殊情况，需要对光纤光栅选择特殊的粘贴位置（以弹性元件平行梁中线为基准，粘贴在中线上半部或下半部）。对于如图4所示的矩形悬臂梁来说，有I=(1/12)bh2，为o点处悬臂梁截面的惯性矩，M(z)=P(L-z)为考察点z处截面弯矩。由挠度曲线的基本微分方程的两次积分后得到(8)21326121CzCzzEIP其积分常数C1可以根据支撑处梁