应变光学测量关键技术及在特种设备监测的应用

摘要

科学技术的飞速发展对材料及结构件在载荷作用下的应变测量与监测方法要求越来越高。常用的应变测量与监测方法是以电阻应变计和振弦式应变计为代表的电测法，具有测量误差小、范围大的特点，但是它们存在传感器成活率不高、抗电磁干扰性差、钢弦丝长期处于张紧状态导致的蠕变现象十分严重等问题，难以实现设备长期、持续和在线监测。
　　针对上述问题，本文以光学手段为基础，利用全场应变光学测量的数字散斑相关方法和点式应变光学监测的光纤光栅传感技术，研究和解决结构表面应力、应变和位移等力学信号的测量与长期监测问题。其中基于数字散斑相关方法的应变测量是通过对亚像素位移场的数学计算获得，其精度和速度的影响主要来自于位移场，因此有必要进一步完善亚像素位移场搜索算法。光纤光栅应变传感技术应用于长期监测时，被测基体与光纤之间通过中间层连接，由于中间层的剪切变形，导致光纤光栅测量应变与基体结构应变不同，因此需要准确获得光纤光栅应变与基体结构应变的关系，以提高应变的测量精度。
　　因此，本文围绕上述内容的主要工作和创新点如下:
　　1、改进了二元二次曲面拟合方法的亚像素位移搜索算法，利用模拟散斑图像，对改进后方法和现有方法进行对比分析，结果表明，减小了均值误差，提高了测量精度。
　　2、针对亚像素位移测量方法中工程实践应用较好的梯度法的精度和速度优化问题，提出了粒子群和梯度法相结合的亚像素位移搜索算法。通过粒子群优化算法的全局搜索得出整像素初值，然后利用梯度算子进行亚像素位移搜索。利用模拟散斑图像和试件验证表明，粒子群优化算法和梯度法结合的亚像素位移搜索算法在计算精度、抗噪性能及计算效率方面均得到了明显提高。
　　3、在不破坏管道表面力学性能的情况下，进行高温蠕变应变在线准确测量一直是一个测量难题。为此，本文提出并研制了利用二维数字散斑相关方法的在役高温管道的应变测量系统。在实验室利用拉伸试件对喷漆散斑场、焊接散斑场和电阻应变片进行对比，结果表明，三者具有良好的一致性。在现场主蒸汽管道上通过热膨胀系数测量的试验表明，该系统能用于高温管道应变的测量与监测，满足了工程实际需求。
　　4、端接光纤光栅应变传感器具有无多峰、栅区不直接受力和各点受力相等等优点，在基片式和夹持式等传感器封装中得到广泛应用，由于粘接层的剪切变形，导致光纤光栅测量应变与基体结构应变不同，需要准确获得光纤光栅应变与基体结构应变的函数关系，以提高应变的测量精度。论文针对端接光纤光栅传感器应变损耗问题，基于剪滞理论推导了表面粘贴式端接光纤光栅应变传递方程，建立光纤光栅和基体之间的平均应变传递模型，给出粘接层和基体的物理特性参数对平均应变传递率的影响规律，并进行有限元和实验验证，揭示了提出模型的有效性和相比现有方法在测量精度方面的优越性。

目录

声明

致谢

摘要

1．1研究目的及意义

1．2数字散斑相关方法的国内外研究现状

1．2．1 二维数字散斑相关方法的理论研究现状

1．2．2数字散斑相关方法的应用研究现状

1．3光纤光栅应变传递机理研究进展

1．3．1 埋入式光纤光栅传感器应变传递机理研究进展

1．3．2表面粘接式光纤光栅传感器应变传递机理研究进展

1．4论文研究目标和研究内容

1．4．1 研究目标

1．4．2研究内容

2二维数字散斑相关方法原理及搜索算法研究

2．1 二维数字散斑相关方法原理

2．1．1 二维数字散斑相关方法基本原理

2．1．2形函数

2．1．3相关函数

2．1．4亚像素搜索算法

2．1．5模拟数字散斑图像

2．2改进的二次曲面拟合亚像素位移搜索算法

2．3改进的梯度法的亚像素位移搜索算法

2．3．1粒子群优化方法原理

2．3．2粒子群优化算法和梯度法结合的亚像素位移测量方法原理

2．3．3数值模拟验证

2．3．4实验验证

2．4基于位移场的全场应变计算

2．4．1小波阈值降噪

2．4．2应变计算

2．5小结

3数字散斑相关测量系统研制及在高温应用

3．1背景

3．2高温数字散斑相关测量系统设计

3．2．1散斑场

3．2．2光学采集系统

3．2．3系统畸变率和放大倍率

3．3监测系统实验室测试

3．4主蒸汽管道的应变测量

3．4．1主蒸汽管道参数与图像采集

3．4．2 降噪方法

3．4．3应变数据分析

3．5小结

4．1引言

4．2光纤光栅传感的基本理论

4．2．1光纤光栅传感的耦合模理论

4．2．2光纤光栅传感的传输矩阵法

4．3光纤光栅传感模型

4．3．1 光纤光栅传感器的温度传感特性

4．3．2光纤光栅传感器的应变传感特性

4．4光纤光栅的光谱特性分析

4．4．1 轴向应变作用下的反射谱数值模拟分析

4．4．2横向应变作用下的反射谱数值模拟分析

4．5小结

5表面粘贴式端接FBG传感器应变传递机理研究

5．1背景

5．2基于弹性粘接层的光纤光栅传感器应变传递机理

5．2．1应变传递机理分析

5．2．2影响参数分析及有限元验证

5．2．3 实验分析

5．3基于线黏弹性粘接层的光纤光栅传感器应变传递机理

5．3．1应变传递机理分析

5．3．2瞬时和准静态应变传递分析

5．4小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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