光学 精密工程
2021, 29(10): 2349
1 重庆交通大学 西南水运工程科学研究所， 重庆40006
2 重庆交通大学 内河航道整治技术交通行业重点实验室， 重庆400074
3 重庆西科水运工程咨询中心， 重庆400016
为了实现水工物理模型实验中波高这一重要参量的高精度测量，提出了一种基于激光入射光斑识别的非接触式波高测量方法。构建了波高测量装置的图像成像几何关系模型，研究了波高测量装置主要参数的确定方法。根据激光入水二值化图像特征构造了激光入水特征模板，提出了激光光斑动态跟踪算法。最后，根据确定的结构参数与图像传感器参数，搭建了实验装置，对波高传感器进行了标定，并利用标定曲线对电动位移平台模拟的波浪进行了测量。实验结果表明：实测位移与电动位移平台设定的位移基本吻合，最大误差仅为0.65 mm。该方法基本满足水工物理模型实验波高测量的高精度、非接触与高动态性等需求。
激光测量 水工物理模型 激光光斑 二值化图像 图像识别 波高测量 laser measurement hydro-physical model laser spot binary image image recognition wave height measurement
1 重庆交通大学 西南水运工程科学研究所, 重庆 400016
2 重庆西科水运工程咨询中心, 重庆 400016
3 重庆交通大学 内河航道整治技术交通行业重点实验室, 重庆 400074
针对现有水下超声波水位测量方法精度偏低, 无法满足水工物理模型实验测量需求的问题, 分析了水下超声波水位测量误差来源和误差量级, 综合考虑水声速与渡越时间对测量精度的影响, 提出了一种水下高精度超声水位测量方法。首先, 分析了超声波换能器间隙误差对声速测量精度的影响, 提出了间隙误差计算方法, 从原理上消除了水体环境变化对水位测量精度的影响; 其次, 基于超声波回波信号的包络形态不变原则, 采用归一化包络时差法检测超声波渡越时间, 并给出了离散数值计算算法流程, 以减小信号衰减特性的渡越时间检测的影响。理论分析表明, 该方法能从水声速和渡越时间两方面同时减小水位测量误差。为了验证本方法的可行性, 开发了实验样机, 并进行了计量检定实验, 实验结果表明, 在400 mm量程范围内, 水位测量误差小于0.1 mm, 满足水工物理模型实验高精度水位测量需求。
水工物理模型 高精度 超声 水位 间隙误差 包络检测 hydraulic physical model high precision ultrasound water level gap error envelope detection
1 重庆交通大学 内河航道整治技术交通行业重点实验室,重庆 400074
2 重庆交通大学 西南水运工程科学研究所,重庆 400016
光纤光栅应变传感器在应力疲劳作用下不可避免地出现性能衰退, 为了评估其极限传感寿命, 从光纤光栅传感原理出发, 理论推导了应力疲劳作用引起的满度相对误差表达式, 以工业仪表精确度等级作为传感器的极限状态阈值, 提出了基于等强度梁的极限传感寿命测试方法.利用该方法评估了高桩码头结构健康监测应用环境中光纤光栅应变传感器的极限传感寿命, 以满度相对误差变化4%作为极限失效阈值, 对4支传感器进行了1.32亿应力疲劳实验.当疲劳至1.32亿次时, 2支传感器达到极限传感寿命, 1支传感器接近极限传感寿命, 即极限传感寿命约为1.32亿次.实验结果表明, 提出的方法能有效地测试不同结构健康监测需求下, 光纤光栅应变传感器的应力疲劳极限传感寿命.
光纤光学 极限传感寿命 应力疲劳 光纤光栅 满度相对误差 等强度梁 Fiber optics Ultimate sensing life Stress fatigue Fiber Bragg grating Full scale relative error Equal strength beam
1 重庆交通大学，西南水运工程科学研究所，重庆 400016
2 重庆大学，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030
针对表面粘贴式非栅区封装结构，依据变形等效原理，推导了该结构的应变传递函数，仿真分析了非栅区封装中间段长度与封装材料弹性模量对应变传递效率的影响.分别采用有机环氧胶与金属锌，将两只光纤布喇格光栅用非栅区封装方式固定在同一根钢丝上，进行拉伸试验，试验结果表明：两种材料的拉伸曲线线性度均达到0.99以上，表明两种封装材料的应变传递一致性较好；金属锌封装结构的应力感知灵敏度平均值为0.142 6 nm/KN, 环氧有机胶封装结构的应力感知灵敏度平均值为0.130 4 nm/KN；各种应变值下，金属锌封装结构的应变传递系数均稳定在0.995左右，而环氧有机胶封装结构的应变传递系数在0.91左右上下波动，金属锌的应变传递效率较有机环氧胶高了近9.34%.试验结果与数值仿真结果较为吻合，可为非栅区封装光纤布喇格光栅传感器的设计提供依据.
光纤传感 光纤布喇格光栅 表面粘贴式 非栅区封装 栅区封装 弹性模量 应变传递效率 Opticl fiber sensing Fiber Bragg grating Surface bonded sensor Grating ends packaged structure Grating packaged structure Elastic modulus Strain transfer efficiency
1 重庆交通大学, 西南水运工程科学研究所, 重庆 400016
2 重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400030
3 江苏法尔胜集团, 江苏 无锡 214433
将整个光纤布喇格光栅栅区的非均匀应变简化为多个受到均匀轴向应变光纤光栅基元的级联作用, 仿真分析了锚头典型锚固深度非均匀应变对光纤布喇格光栅输出光谱的影响, 结果表明明常规光纤布喇格光栅无法适用于斜拉索锚头内部轴向非均匀应变测量.为了克服非均匀应变对光纤布喇格光栅应变测量效果的影响, 提出了利用毛细管对光纤布喇格光栅栅区进行应变隔离的新型应变均化传感器结构, 并对传感器的测量原理与力学特性进行分析, 得出毛细管材料与壁厚选型的基本公式.利用碳纤维复合材料作为封装材料, 试制出应变均化FRP-OFBG测力传感器, 并进行了力学拉伸试验.试验结果表明该传感器具有良好的应变传感性能, 且测量量程、刚度满足测量要求.将两只传感器植入试验缆索进行实索张拉试验, 缆索张拉过程中, 同步监测的光纤布喇格光栅输出光谱未受锚头非均匀应变影响, 说明利用毛细管对锚头应变均化的传感器结构方案可行, 且光纤布喇格光栅反射谱中心波长与缆索张力呈较好的线性关系, 说明锚头植入传感器与锚头结合良好, 测力功能满足索力测量需求.
智能缆索 光纤布喇格光栅 应变均化 锚头 毛细管封装 碳纤维复合材料 实索试验 Smart cable Fiber Bragg Grattings(FBG) Strain homogenized Cable anchor Thin-walled capillaries packaging Carbon fiber composite materials Full-scale cable test
重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
光纤布喇格光栅器件应力疲劳特性严重影响着光纤光栅应变传感器的长期可靠性，为了评估光纤光栅器件的应力疲劳特性，分析了光纤光栅应变传感器的封装结构对疲劳评价的影响，并以表面直接粘接的简化模型评估了光纤光栅器件的应力疲劳特性.从简化模型的基本力学与光学特性出发，提出以光谱特性的边模抑制比和带宽作为评价光纤光栅器件疲劳的指标体系，以传感特性的灵敏度、线性度和应变传递效率作为评价粘接层疲劳的指标体系.设计了基于等强度梁的光纤光栅器件加速疲劳实验，疲劳的应力幅度为500微应变，频率为18赫兹；1000万次疲劳实验后，三支光纤光栅的带宽平均增加2.07%，平均应变传递效率和平均灵敏度分别下降4.5%和3.9%，实验结果说明提出的指标体系能有效地区分粘接层和光纤光栅的疲劳，从而验证了该评价理论的可行性.
光纤布喇格光栅器件 评价指标 可靠性 应力疲劳 光谱特性 传感特性 等强度梁 Fiber Bragg Grating(FBG) Evaluation index Reliability Tensile fatigue Reflection spectrum Sensing characteristics Equal strength beam
