超大应变FBG专用传感器.ppt

一、研究进展二、取得的成果主要内容主要内容一、研究进展 智能缆索诸多问题归纳总结为：智能缆索诸多问题归纳总结为：三个关键三个关键，两个确保两个确保；三个关键三个关键：将传感器植入缆索中、使传感器：将传感器植入缆索中、使传感器准确感知缆索索力、保证传感器的长期稳定准确感知缆索索力、保证传感器的长期稳定性及可靠性性及可靠性 ；两个确保：两个确保：确保植入传感器对缆索自身的力确保植入传感器对缆索自身的力学特性与质量没有丝毫影响、确保应变传感学特性与质量没有丝毫影响、确保应变传感器必须承受缆索的超大应变值器必须承受缆索的超大应变值 。1、研究内容概述、研究内容概述提出了智能缆索实施的提出了智能缆索实施的三原则三原则。以缆索为主、传感器为辅，传感器围绕缆索以缆索为主、传感器为辅，传感器围绕缆索的需求转，传感器植入及使用工艺绝对不能的需求转，传感器植入及使用工艺绝对不能对缆索的制造工艺及性能有任何不利影响；对缆索的制造工艺及性能有任何不利影响；植入的传感器必须要准确感知缆索索力；植入的传感器必须要准确感知缆索索力；植入的传感器必须有好的长期稳定性与高的植入的传感器必须有好的长期稳定性与高的可靠性，能够满足长期稳定监测的需求。可靠性，能够满足长期稳定监测的需求。智能缆索面临的最大智能缆索面临的最大难点难点光纤传感器纤细、易损，缆索制造工艺粗放光纤传感器纤细、易损，缆索制造工艺粗放光纤传感器（二氧化硅）与缆索钢丝两种不光纤传感器（二氧化硅）与缆索钢丝两种不同材料的结合同材料的结合缆索极限应变超出了光纤传感器的工作极限缆索极限应变超出了光纤传感器的工作极限研究思路研究思路利用转换机构降低传感器承受的应变利用转换机构降低传感器承受的应变对光纤进行改性处理、提高光纤传感器的对光纤进行改性处理、提高光纤传感器的极限工作点极限工作点提出了智能缆索实施的提出了智能缆索实施的两个两个原创性原创性方案方案基于连接筒钢丝应变测量的智能缆索技术方案基于连接筒钢丝应变测量的智能缆索技术方案基于锚固区应变传感的智能缆索技术方案。基于锚固区应变传感的智能缆索技术方案。基于连接筒钢丝应变测量的智能缆索方案基于连接筒钢丝应变测量的智能缆索方案通过对特种通过对特种FBGFBG金属镀膜处理，使之应变测量量程金属镀膜处理，使之应变测量量程达到达到2000020000微应变，解决了连接筒钢丝超大应变测微应变，解决了连接筒钢丝超大应变测量的问题；量的问题；利用低温键合技术将镀膜特种利用低温键合技术将镀膜特种FBGFBG直接固定于待测直接固定于待测钢丝表面，通过金属结合体中微粒间的键合力，使钢丝表面，通过金属结合体中微粒间的键合力，使缆索钢丝、光纤传感器件、金属键合材料结合成一缆索钢丝、光纤传感器件、金属键合材料结合成一体，解决了传感器在钢丝表面面的固定问题体，解决了传感器在钢丝表面面的固定问题。工作原理探索工作原理探索超大应变超大应变FBG专用传感器研制专用传感器研制FBG传感器疲劳传感器疲劳/寿命特性研究寿命特性研究FBG金属化处理技术研究金属化处理技术研究异质材料间的低温键合技术研究异质材料间的低温键合技术研究光纤传感器件金属键合机研制光纤传感器件金属键合机研制键合材料及工艺参数优化及稳定性研究键合材料及工艺参数优化及稳定性研究单丝传感力学特性研究单丝传感力学特性研究实际缆索键合工艺研究实际缆索键合工艺研究现场试验现场试验改进及完善改进及完善研究内容键合钢丝预处理工艺的改进键合钢丝预处理工艺的改进 表面粗化工艺由手工操作改为专用机械粗化，改善钢丝表面粗化的效果，增强键合膜与基体的结合强度。法尔胜试验(2010.11)键合参数的优化改进键合参数的优化改进 调整键合机的机械、电气参数，提高了键合过程的稳定性，增强了键合膜与基体的结合强度。键合膜的区域化生长键合膜的区域化生长 设计了专用的模板，将键合区域准确地限定在单根钢丝上，避免了周边钢丝对键合膜的横向剪切力作用。26日下午试验结果卸载较加载出现较为明显的“迟滞”现象，曲线出现了回环。加载过程中，液压表盘读数准确，但是在卸载过程中，同样的液压值对应的拉力偏大，导致出现回环。27日上午试验结果 传感器试验曲线线性度均达到0.999以上，且加载、卸载的回程误差控制在50pm以内。通过第二次张拉实验，证实第一次实验中出现的严重“迟滞”现象并非传感器自身原因，而是张拉装置显示值不准所导致的。灌环氧连接筒中的传感器FBG1、FBG2、FBG3与未灌环氧连接筒中传感器FBG5、FBG6试验曲线完全一致，说明连接筒处对传感器的保护措施是有效的。FBG传感器在经过100万次疲劳试验后，不仅成活良好，而且拉伸曲线线性度均达到0.999以上，仍然保持了疲劳实验前的灵敏度系数;证明该技术可在实际缆索上进行推广使用。测试光谱拉伸试验结果疲劳试验基于特种FBG低温键合技术的智能缆索方案工艺可行，且对缆索工艺的影响较小；力学试验结果中，索力与FBG中心波长呈极好的线性关系，证明基于特种FBG低温键合技术的智能缆索方案具备较高的测量精度，达到智能缆索项目设定的技术目标；力学试验结果中，多只不同的传感器间数据一致性很好（传感器灵敏度系数皆为0.0012），证明利用低温键合技术实现的FBG封装结构具有较好的工艺一致性，能够满足缆索索力测量的应变传递要求；总结与建议由法尔胜疲劳试验样件力学试验结果可知，经过低温键合技术封装的FBG传感器在经过100万次疲劳试验后，不仅成活良好，而且拉伸曲线线性度均达到0.999以上，证明该技术可在实际缆索上进行推广使用。超张拉试验阶中油压表液压压力值换算得到的缆索张力值不准确，在今后的传感器标定必须利用压力传感器数值对新型索力传感器数据进行标定。建议该技术在实际缆索中进行试用、推广。具备保护外套损伤自检测功能的缆索及光纤检测、定位方法，200910103644.8（已授权）；基于光纤应变传感的超大索力自感知智能缆索及测量方法，200910103643.8；基于光纤应变传感的缆索索力自感知智能缆索及测量方法，200910103645.7；基于缆索锚固区植入应变传感器实现索力在线测量的方法 201010136366.3。申请专利