基于SMA的光纤光栅位移传感器的设计与应用研究

摘要

光纤光栅是性能优良的传感元件，在民用飞机结构健康监测领域具有非常广阔的应用前景。随着现代民用飞机性能的提高，复杂航空结构件的大变形和位移监测对光纤光栅传感器提出了新的要求。本文介绍了光纤光栅传感器在民用航空的飞行器结构监测领域的研究现状，提出了一种基于形状记忆合金的光纤光栅位移传感器的设计方法，利用形状记忆合金变形的柔顺性和任意性的特点，通过形状记忆效应辅助光纤光栅成S型。从传感器的力学分析、有限元仿真、传感器性能测试三个方面展开研究。主要研究内容如下：
　　首先，阐述了形状记忆合金和光纤光栅传感器的基本理论。利用大曲率曲杆模型推导了光纤 Bragg光栅位移传感器的波长变化与 S型形状记忆合金位移变化之间的关系。利用有限元软件对S型形状记忆合金进行仿真，研究不同的位移载荷下形状记忆合金结构的应变变化情况。依据ANSYS仿真结果进行光纤Bragg光栅位移传感器的光谱仿真。
　　其次，设计和研制了基于形状记忆合金的光纤 Bragg光栅位移传感器，利用形状记忆合金的形状记忆效应驱动光纤光栅传感器柔顺变形。通过对光纤光栅位移传感器进行拉伸实验，研究传感器中心波长、光谱带宽以及反射光强与位移之间关系。
　　最后，通过蜂窝夹芯复合材料试件的冲击载荷监测与碳纤维复合材料接头拉伸损伤监测对光纤 Bragg光栅位移传感器的应用进行了探索研究，为该类传感器应用于航空结构件的结构健康监测提供实验指导。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2国内外研究现状

1.3研究目的与意义

1.4本文主要研究内容

第二章 基于形状记忆合金的光纤光栅位移传感器基本理论

2.1形状记忆合金

2.2光纤布拉格光栅传感器基本介绍

2.3本章小结

第三章 基于SMA的光纤光栅位移传感器特性研究

3.1光纤光栅位移传感器拉伸变形的力学分析

3.2 S型SMA的有限元仿真

3.3光纤光栅位移传感器的反射光谱仿真

3.4本章小结

第四章 基于SMA的光纤光栅位移传感器研究

4.1传感器设计思路

4.2基于SMA的光纤光栅位移传感器的封装制作

4.3基于SMA的光纤光栅位移传感器的拉伸实验平台的搭建

4.4实验结果分析

4.5本章小结

第五章 基于SMA的光纤光栅位移传感器性能测试

5.1基于SMA的光纤光栅传感器的冲击测试

5.2基于SMA的光纤光栅位移传感器的T型接头损伤探索研究

5.3本章小结

第六章总结与展望

6.1研究结论

6.2工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文