OFDR光纤传感技术在复合材料非均匀应变测量中的研究

摘要

由于复合材料较于传统材料具有强度高、耐疲劳特性好和极强的刚度，使复合材料在航空航天、汽车和机械制造等领域广泛应用。复合材料各向异性导致开裂、纤维断裂、脱胶和分层等损伤，结构的损伤引起复合材料的非均匀应变，因此复合材料的结构健康监测至关重要。传统上采用的电阻应变片测量应变的方法受限于其传感机理，只能测量应变片区域内的平均应变，对非均匀应变则无法测量。而光纤光栅由于其尺寸小、便于分布式测量、灵活等特性得到广泛使用，光纤光栅传感器可以嵌入到复合材料内部而不影响结构的性能进而实现损伤监测，当测量复合材料中出现的非均匀应变时，光纤光栅的反射光谱会出现分峰和啁啾，传统的光栅解调系统无法实现非均匀应变场的测量。本文采用光频域反射解调技术来测量复合材料内部非均匀应变的分布情况，通过实际的测量和有限元分析对比，还原了非均匀应变场的分布情况。 本文的主要内容如下： （一）分析了复合材料健康监测的重要性。对光频域反射系统的空间分辨率、测量灵敏度、转换增益几个方面进行了分析。对OFDR系统测量非均匀应变场的原理进行了分析。 （二）根据OFDR光纤光栅解调的原理，搭建系统光路，提出利用图形化编程语言LabVIEW完成系统的软件部分。实现了激光器和数据采集卡的控制和数据信号的处理。 （三）从光源的非线性扫描对OFDR系统的影响机理出发，提出了利用参考光路法对主干涉光路信号重采样进行光源非线性扫描的修正。该系统修正后光谱的强度变大，光谱宽度变小，空间分辨率变高，分峰啁啾现象消失。对激光器的线宽对系统的影响进行分析，采用延迟自零差法测量激光器的线宽，其利用延迟光纤长度大于激光器相干长度6倍的光路，测得了激光器的线宽。 （四）从复合材料损伤导致的非均匀应变测量出发，提出了利用光频域反射系统解调嵌入在复合材料板内部的光纤光栅反射回来的信号，得到了在6个拉力点下光栅上的应力分布，因为高空间分辨率成功探测到非均匀应变分布。利用该系统测得的信号与有限元分析结果作对比，有效的还原了长11.4mm的光栅上非均匀应变的分布情况。

目录

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第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容、创新点

第2章 基于光频域反射的光纤光栅传感系统基本原理

2.1 光纤布拉格光栅传感原理

2.2 基于光频域反射的光纤光栅传感系统

2.3 非均匀应变场测量原理

2.4 光频域反射关键技术

2.5 本章小结

第3章 光频域反射系统设计

3.1 光频域反射系统的搭建

3.2 数据采集与仪器控制理论基础

3.3 基于光频域反射光纤光栅解调系统的软件开发

3.4 本章小结

第4章 激光器线宽测量和输出激光的非线性修正

4.1 光频域反射系统测量影响因素

4.2基于光频域反射的光源线宽测量

4.3非线性扫频的修正

4.4本章小结

第5章 复合材料非均匀应变测量研究

5.1 复合材料非均匀应变测量实验设计

5.2 有限元分析

5.3 实验现象和结果讨论

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的研究成果目录