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碳纤维增强复合材料中埋入光纤Bragg光栅的传感研究

作　者: 田高洁
导　师: 李川
学　校: 昆明理工大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 光纤Bragg光栅 应变 波长移位 悬臂梁 碳纤维增强复合材料
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


光纤智能结构是将探测元件、驱动元件和微处理控制系统与基体材料相融合,形成具有识别、分析、判断、动作等功能的一种结构。这种结构不仅能够承受载荷,还能感知所处的内外部环境变化,并能通过改变其物理性能或形状等做出响应,借此实现自诊断、自适应、自修复等功能。因此,智能结构在军事领域、土木工程领域等有着广阔的前景。本文选用光纤Bragg光栅作为碳纤维增强复合材料(Carbon Fiberglass Reinforced Plastics,简称：CFRP)的传感材料,通过将光纤Bragg光栅埋入碳纤维增强复合材料,形成了一种集结构体加固和监测于一体的柔性封装监测结构,并通过实验研究了该结构的传感性能,主要内容如下：1.设计了一种在碳纤维增强复合材料中埋入光纤Bragg光栅的结构。将单向碳纤维置于护套一端,预留碳纤维丝在导管外部,然后把光纤Bragg光栅从导管的中央穿入,使光栅处于端口外的碳纤维丝包裹中,碳纤维丝延伸至护套内,对光纤导入导出部分进行保护。2.根据碳纤维增强复合材料的应变与所受应力呈线性关系,将光纤Bragg光栅埋入碳纤维增强复合材料中,建立了光纤光栅应变传感模型中应力变化量与Bragg波长的偏移值的对应关系,进而对光栅智能结构的各项传感性能进行理论计算。根据特定的结构部件的材料及其尺寸,计算出光纤Bragg光栅的应变灵敏度为81.4pm/Kg;理论分辨率为：0.012pm/Kg。3.将植入了光纤Bragg光栅的碳纤维增强复合材料粘贴于等强度悬臂梁表面,通过反复对等强度悬臂梁进行加载卸载从而带动贴在其表面的碳纤维增强复合材料封装的光纤Bragg光栅产生与应变响应的Bragg波长移位。实验表明,加载灵敏度为：82.8pm/Kg;卸载灵敏度为：79.2pm/Kg,实际分辨率为：0.013pm/Kg。4.为了确定温度在应变测量过程中对整体结构的影响,采用独立测量温度的办法确定贴在悬臂梁表面的光栅智能结构的温度灵敏度。实验通过对悬臂梁整体反复加热,从而使粘贴其表面的光栅智能结构感应其温度变。实验采用的Bragg光栅的中心波长是1564.5 nm,其理论温度灵敏度为10.9 pm/℃,实验测得其温度灵敏度为24.7pm/℃。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章 绪论  8-13
  1.1 引言  8
  1.2 智能结构的组成及组成材料特性  8-11
    1.2.1 智能结构的组成  8-9
    1.2.2 光纤传感材料  9-10
    1.2.3 智能结构中基体材料  10-11
  1.3 CFRP中埋入光纤Bragg光栅的发展  11-12
  1.4 小结  12-13
第二章 CFRP中埋入光纤Bragg光栅的设计  13-22
  2.1 引言  13
  2.2 CFRP中埋入光纤Bragg光栅的技术  13-14
  2.3 CFRP中埋入光纤Bragg光栅的传感结构  14-15
  2.4 CFRP力学性能分析  15-19
    2.4.1 碳纤维增强复合材料力学传导性能  15-18
    2.4.2 碳纤维增强复合材料片层受力分析  18-19
  2.5 CFRP中埋入光纤Bragg光栅的传感原理  19-21
  2.6 小结  21-22
第三章 CFRP中埋入光纤Bragg光栅的研制  22-29
  3.1 引言  22
  3.2 加工材料  22-26
    3.2.1 碳纤维增强复合材料(CFRP)  22-23
    3.2.2 碳纤维增强复合材料性能参数  23-25
    3.2.3 粘贴剂的选取  25-26
  3.3 CFRP中埋入光纤Bragg光栅的实物结构  26-27
  3.4 CFRP中埋入光纤Bragg光栅的结构安装  27-28
  3.5 小结  28-29
第四章 集CFRP和光纤Bragg光栅于一体的结构传感  29-56
  4.1 引言  29
  4.2 测试原理  29-30
  4.3 CFRP中埋入光纤Bragg光栅的测试数学模型  30-32
  4.4 CFRP中埋入光纤Bragg光栅测试传感性能  32-33
  4.5 实验过程和结果  33-55
    4.5.1 实验中传感器的零点漂移  33-34
    4.5.2 加载和卸载实验  34-35
    4.5.3 加卸载实验数据分析  35-42
    4.5.4 温度实验  42-49
    4.5.5 实验性能指标  49-55
  4.6 小结  55-56
第五章 展望与总结  56-58
  5.1 总结  56
  5.2 展望  56-58
致谢  58-59
参考文献  59-62
附录A (参与的课题和研究成果)  62

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 波导光学与集成光学 > 光纤元件
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