最新资讯:
技术文档 >> 返回 您当前所在位置:首页 > 服务支持 > 技术文档 > 正文

结构健康监测中光纤光栅传感技术(八)光纤光栅剪力传感器

更新时间:2016-07-17 22:34:27点击次数:4832次字号:T|T

该传感器结构分为三层,上下两层为碳纤维复合材料,中间变形层为硅橡胶材料。为了使碳纤维材料很好的和光纤结合在一起,将粘接光纤的碳纤维层送入120℃的高温真空炉中加热4个小时,如图4.60所示。采用熔解光纤周围的碳纤维材料后固化的方法来提高光纤和碳纤维复合材料的结合强度。如图4.61所示,通过在上层和下层碳纤维材料层之间加入一个中间变形层可以提高传感器的量程。采用碳纤维复合材料作为上下层光纤封装材料以及采用硅橡胶材料作为中间变形层是因为这两种材料具有易使用,易固化以及具有相互粘接的优点。相互粘接的能力可以省去额外的胶来粘接硅橡胶和碳纤维层。硅橡胶具有良好的变形和恢复能力,而且与处于固化期的碳纤维材料的相容性很好。



4.62该光纤光栅剪力传感器的实物图。工作原理图如4.63所示,实线部分是在无剪力作用下光纤光栅的位置;当外部剪力作用于传感器的上表面时,上表面的碳纤维材料层将会沿着剪力的方向相对下表面移动,这将会导致中间层沿着剪力的方向发生变形,从而拉动光纤使其中心波长发生变化。4.63中虚线部分为在外部剪力作用下,光纤被拉伸的状态。



在光纤光栅剪力传感器的标定实验中,剪力以1N/次的速度加载至40N4.64标定实验测得的外部剪力与光纤光栅中心波长的关系图。

理论分析


在光纤光栅剪力传感器的理论模型中,只考虑埋入中间变形层中的光纤段的受力情况。图4.65示出了有效光纤段、力以及光纤光栅相应的变形状况。外力F可分解为


从而得到光纤光栅轴向的应变为


4.66为传感器不同有效长度下(4.54以及3.75cm),光纤光栅归一化中心波长变化与外界剪力关系的理论分析结果。图中假定传感器有效的宽度为2cm,厚度为1mm。结果表明,传感器的光纤光栅中心波长随着随着传感器长度的增加而减少。

同样,利用式(4.34)可以分析传感器有效宽度及有效厚度对光纤光栅归一化中心波长变化的影响,如图4.67和图4.68所示。图4.67中,传感器有效长度为4cm,厚度为1mm,分别取传感器有效宽度为11.52cm。结果表明,传感器的宽度越大,光纤光栅归一化中心波长变化越小。图4.68中,传感器有效长度为4cm,宽度为2cm,分别取传感器有效厚度为11.251.5mm。图4.68表明,光纤光栅归一化中心波长变化随着传感器有效厚度的增加而增大。


实验分析

为验证4.664.674.68的理论分析结果,对不同有效长度、不同有效的宽度以及不同有效厚度光纤光栅剪力传感器(4.54以及3.75cm)进行了实验验证。4.69为不同传感器有效长度结果图,图中,传感器的有效宽度和厚度分别为2cm1mm4.70为不同传感器有效宽度结果图,图中,传感器的有效长度和厚度分别为4cm1mm4.71为不同传感器有效厚度结果图,图中,传感器的有效长度和宽度分别为4cm2cm。实验结果验证了理论分析的正确。