1 安徽大学 物质科学与信息技术研究院, 合肥 230601
2 中国科学技术大学 近代力学系, 合肥 230027
为了解决常规数字图像相关法应用于高温工况下热应变测量时, 人工制作的散斑受高热载荷冲击容易出现变色、熔化、脱落的问题, 采用激光散斑作为数字图像相关法特征纹理的方法, 计算温度变化前后散斑图像相关性来测量金属热应变, 进行了非真空环境下加热试件的实验, 以及在管式加热炉中分别对铝试件和钨试件进行人工散斑和激光散斑的真空加热实验对比, 取得了相应的散斑图像, 并计算出平均应变曲线数据。结果表明, 在非真空环境下, 由于热流扰动导致激光散斑图像抖动较大, 测量出的热应变曲线存在较大的干扰噪声; 铝从室温升至450 ℃和钨从室温升至800 ℃的热应变与人工散斑结果相对一致; 激光散斑数字图像相关法在类似聚变堆偏滤器高真空、高热流条件下, 可以有效地测出金属壁面的动态热应变。该研究为聚变堆偏滤器第一壁材料的损伤诊断提供了新思路。
测量与计量 热应变 激光散斑 数字图像相关法 人工散斑 measurement and metrology thermal strain laser speckle digital image correlation method artificial speckle
1 北京信息科技大学 光电测试技术与仪器教育部重点实验室，北京 100192
2 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室，北京 100016
3 天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
遥感卫星结构在轨服役期间易受空间极端温度变化与微重力环境影响容易产生热应变，严重影响探测精度，而现有方法难以实现热应变在轨监测。针对这一问题，提出具有温度解耦功能的热应变光纤光栅监测方法。采用数值模拟方法开展结构热应变计算分析，得到结构整体和局部热加载下温度场和应变场分布特征及变化规律。设计构建热应变光纤监测试验系统，对卫星天线结构模拟试件进行热加载光纤测量试验，测试分析热应变光纤监测精度，验证了方法的有效性。研究结果表明，在−120~120 ℃温度变化范围，利用光纤布拉格光栅传感器和温度解耦方法监测温度和热应变的相对误差分别为1.02%和2.45%；在30~100 ℃局部热加载作用下，结构温度场和应变场的重构误差分别为3.24%和6.61%。该方法在卫星结构在轨监测领域中具有良好的应用价值与前景。
遥感卫星 在轨监测 光纤传感 热应变 热控制 remote sensing satellite in-orbit monitoring optical fiber sensing thermal strain thermal control 红外与激光工程
2022, 51(12): 20220202
河南科技大学电气工程学院, 河南 洛阳 471023
在液氮冲击实验中, 锑化铟红外焦平面阵列探测器中各层材料之间线膨胀系数的不同将导致热失配产生, 过大的热失配应力将引起锑化铟芯片断裂失效。为了降低热失配对锑化铟芯片的影响, 基于弹性多层体系热应力计算理论, 借鉴平衡复合物结构设计方法, 优化平衡复合物结构上表面的热应变, 使得平衡复合物结构中硅读出电路上表面的热应变尽可能接近锑化铟芯片下表面的热应变, 从而大幅降低锑化铟芯片中的热应力。考虑器件加工工艺成熟度, 经一系列计算表明: 当硅读出电路的厚度取 25.m时, 平衡复合物结构中硅读出电路上表面的热应变与 InSb芯片下表面的热应变最为接近, 此时锑化铟芯片中的拉应力最小。锑化铟芯片中拉应力的大幅降低, 将为消减液氮冲击中锑化铟芯片的碎裂几率提供可以信赖的结构设计方案和实现途径。
红外焦平面阵列探测器 热失配 热应变 平衡复合物结构 infrared focal plane arrays thermal mismatch thermal strain balanced composite structure
1 西安交通大学电气工程学院, 陕西 西安 710049
2 国网辽宁省电力有限公司, 辽宁 沈阳 110004
3 上海电缆研究所, 上海 200093
研究光纤温度与传输特性之间的关系对光纤复合低压电缆(OPLC)的设计及应用非常重要。利用COMSOL 多物理场仿真软件建立了二维仿真模型,研究了光纤轴向应力随温度的变化情况,并通过与理论计算相对比验证了模型的合理性。其次,通过理论计算得到了石英光纤的应力弹光系数,并且基于弹光效应仿真分析了涂覆层材料为丙烯酸树脂和聚乙烯两种光纤的瞬态温升特性和热致应变损耗。结果表明,涂覆层材料为丙烯酸树脂的光纤在相同时间内温度上升幅度较小,在相同温度下的损耗也更低, 40°C到250°C范围内,其热致应变损耗随温度升高而线性增加,最大值为0.033 dB/km。从瞬态温升和热致应变损耗的角度出发,涂覆层材料为丙烯酸树脂的光纤在OPLC的应用中更具优势。
光纤光学 光纤复合低压电缆 热致应变损耗 COMSOL 仿真 弹光效应 fiber optics fiber composite low voltage cable thermal-strain loss COMSOL simulation photo-elastic effect
1 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室, 江苏 南京 210016
2 中国航天科技集团公司北京卫星环境工程研究所, 北京 100094
3 Université de Toulouse, Institut Clément Ader UMR CNRS 5312, INSA/UPS/ISAE/Mines Albi, France
4 南京大学光通信工程研究中心, 江苏 南京 210093
针对航天领域复合材料结构在空间服役环境的热响应监测需求, 研究了一种热载荷作用下基于光纤Bragg光栅（FBG）反射光谱特征分析的碳纤维蜂窝夹芯结构监测方法。 将光纤Bragg光栅传感器分别植入碳纤维蜂窝夹芯结构的不同铺层, 通过监测不同热载荷下各铺层位置的光纤光栅反射光谱, 得到碳纤维蜂窝夹芯结构相关铺层位置热应变特征。 研究表明, 碳纤维蜂窝夹芯结构不同材料铺层的热应变特征存在一定差异。 植入外蒙皮表面与玻璃布之间的光纤光栅反射光谱随着温度升高, 中心波长向长波方向漂移, 且波形未出现明显改变。 埋植于外蒙皮第二、 三层碳纤维织物预浸料之间的光栅反射光谱随着温度降低逐渐出现旁瓣、 多峰等啁啾效应, 其主峰与右侧次峰中心波长均向短波方向逐渐漂移, 主峰峰值幅度变化较小, 温度灵敏度约为5.56×10-3 dBm·℃-1, 而右侧次峰幅度显著增大, 温度灵敏度约为40.32×10-3 dBm·℃-1; 埋植于内蒙皮和蜂窝芯子之间的光栅反射光谱随着温度降低, 其半波峰带宽逐渐增大, 变化率约为3.19 pm·℃-1, 且出现显著多峰趋势, 这是由于层间热应力分布不均匀所形成。 在-70~+60 ℃温度范围, 各植入层热应变均随温度升高而增大, 且变化趋势相接近, 而在+60~+120 ℃温度范围内, 各植入层热应变变化趋势呈现显著差异。 这些特性能够为后继空间环境复合材料航天器结构状态在轨监测提供有益帮助。
碳纤维蜂窝夹芯结构 光纤光栅 反射光谱 热应变 Carbon fiber honeycomb sandwich structure FBG Reflection spectrum Thermal strain 光谱学与光谱分析
2017, 37(9): 2927
1 厦门理工学院 光电与通信工程学院, 福建 厦门 361024
2 福建省光电技术与器件重点实验室(厦门理工学院), 福建 厦门 361024
3 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
通过理论计算获得ZnTe/Si(211)与ZnTe/GaAs(211)异质结构样品室温下的热应变分布与曲率半径, 并采用激光干涉仪测量两个样品室温下的曲率半径。研究发现, 在(211)面上进行异质外延, 两个互相垂直的晶向方向[1-1-1]和[01-1]的应变分布呈现各向异性, 且沿两个方向上的表面曲率半径亦存在差异。ZnTe/GaAs(211)样品的激光干涉测量结果与理论计算较为吻合, 均为同一数量级的表面曲率半径方向为负的张应变, ZnTe/Si(211)样品的测量结果则存在较大差异。由于Si衬底在高温脱氧的过程中产生了表面曲率半径方向为正的塑性形变, 在一定程度上降低了外延ZnTe后异质结构的弯曲程度, 减小了热失配应变。
热应变 异质结构 thermal strain ZnTe ZnTe Si Si GaAs GaAs heterostructure 红外与激光工程
2016, 45(12): 1221003
1 北京工业大学 机电学院， 北京 100124
2 北京工业大学 激光工程研究院， 北京 100124
对T300/AG80碳纤维复合材料层合板在激光辐照下的应变变化情况进行了测试。利用动态应变仪对不同半径激光光斑照射下的试件正面和背面的0°,45°,90°三个方向的应变进行记录，通过对消除温升影响后的试验数据进行分析得知：各处应变随测试点到光斑中心的距离增大而减小；0°方向应变最小，90°方向应变最大，光斑辐照层合板5 s时，90°方向应变值至少是0°方向应变值的1.5倍。采用有限元分析软件对试验过程进行模拟，光斑外各处热应力随其到光斑中心距离的增大而减小。将模拟中得到的应变与试验过程中的测试值对比，得到温升影响造成的最大相对误差为16.9%。
复合材料 激光辐照 应变测量 热应变 相对误差 composite material laser beam irradiation strain measurement thermal strain relative error 强激光与粒子束
2011, 23(12): 3265
研制了一种双套管式光纤Bragg光栅温度传感器, 以实现无外力作用的温度测量。其中外套管隔离外加应力应变, 在内套管内松弛地放置光栅以隔离封装结构的表观热应变。引入引出尾纤穿过带孔螺栓, 以探测多个串联光栅。为了避免光栅处于张拉状态, 封装在外套管1、外套管2和内套管中的光纤余长应分别大于1.4 mm, 1.8 mm和0.4 mm。试验结果表明, 该光栅传感器的温度响应灵敏度为9.671×10-3 nm/℃, 温度测量分辨率为0.1℃。当水温从20℃跃变到70℃时, 该传感器的温度响应时间分别为t0.5=15±2 s和t0.9=52±4 s。当水温从70℃跃变到20℃时, 该传感器的温度响应时间分别为t0.5=26±9 s和t0.9=63±8 s。
双套管 光纤Bragg光栅 温度 外加应力应变 表观热应变 温度响应灵敏度 温度响应时间 double thimble fiber Bragg grating temperature applied stress strain apparent thermal strain temperature response sensitivity temperature response time
1 北京航空航天大学机械学院, 北京 100083
2 Budapest University of Technology and Economics, Hungary H-1502
通过对试件在激光与材料非熔凝作用下动态变形过程、热作用区侧面温度场的实时测tt及激光照射后试件 在光斑作用中心处横截面的组织分析,得知试件的最终变形是热应变与相变共同作用的结果,进一步完善了薄板 激光弯曲的变形机理；同时揭示了试件在热作用区侧面温度场的分布规律。试验结果为激光非熔凝加工的应用研究提供了指导。
激光非熔凝加工 温度场 热应变 相变
