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复合材料FBG传感器的设计理论与工艺研究

作　者: 王艳妮
导　师: 梁磊
学　校: 武汉理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 碳纤维增强复合材料光纤Bragg光栅传感器复合材料封装
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

与金属材料相比,先进的复合材料更能抗疲劳、重量更轻、强度重量比更好,而且使用寿命长,能够制作复杂的形状,抗腐蚀,使用先进的复合材料制造重大工程结构和装备(如航空航天结构)是一个必然的趋势。国内外的研究和工程应用表明,在复合材料服役工作期间,在拉压、冲击或疲劳等载荷作用下,复合材料极易发生损伤和破坏,如不及时发现和采取相应的措施将导致巨大的经济损失和人员伤亡,甚至出现灾难性的后果。因此研究开发满足复合材料工程结构要求的传感元件,发展新型光纤光栅智能复合材料结构系统是从根本上实现复合材料结构安全监测的核心工作之一。本文在总结国内外大量文献的基础上,从基础理论、基本实验和工程应用上研究了光纤光栅复合材料传感器的设计理论和应用技术,从材料、构件、结构等方面探讨了用于复合材料结构监测的光纤光栅传感器的设计理论、制备技术和工程应用技术,目的是研制出光纤光栅复合材料应变传感器及其所构成的安全监测系统,并实现在重大工程建设中的应用。本文的主要内容包括:一、从传感用光纤光栅的要求出发,对光纤光栅的传输理论和基本传感特性进行了理论推证,分析了复合材料中光纤光栅的传感机理;从满足复合材料监测的要求出发,研究了复合材料的强度理论和设计理论、以及相关复合材料的成型工艺;总结出光纤光栅复合材料传感器的基本设计路线。二、基于复合材料的强度理论和应力波传输理论,按照复合材料传感器的基本设计路线,从复合材料/传感器/结构的相容性出发,通过对光纤光栅/传感器/待测界面应变传递特性的理论研究和分析,以光纤光栅为传感基元,复合材料结构为对象,进行了系列复合材料传感器的设计、制作、性能试验,并优化分析,提出了基于应变传递效率的光纤光栅复合材料传感器的基本设计理论。三、研究了光纤复合材料传感器的应变界面传递机理和误差修正,推导光纤传感器的应变多层界面传递和误差修正公式,利用理论和试验结果对自行研制的复合材料封装的光纤Bragg光栅传感器进行应变传感误差分析和修正,为光纤光栅传感器在复合材料结构监测中的应用提供监测结果合理修正的依据。四、从满足传感器/复合材料/结构的相容性出发,对碳纤维复合材料封装的光纤Bragg光栅传感器进行了力学、传感性能试验。力学性能试验结果表明,按照本文提出的传感器基本设计理论和相关的制作、封装工艺,传感器的埋入对复合材料与结构的力学性能无显著影响,研制的传感器具有很好适应性、稳定性和可靠性。传感性能试验结果表明研制的传感器具有较好的线性度和重复性,具有工程应用价值。五、将碳纤维复合材料光纤光栅传感器用于某长江大桥的结构加固工程。应用结果表明,研制的传感器能适应复合材料结构对象在多种工况下对复杂应力的测量,基本实现了传感器的工程化和实用化,具有较好的应用前景。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-24
  1.1 复合材料的发展  10-13
    1.1.1 复合材料的性能和应用  10-11
    1.1.2 复合材料的发展趋势  11-12
    1.1.3 复合材料发展面临的问题  12-13
  1.2 国内外复合材料监测的现状  13-18
    1.2.1 固化监测  15
    1.2.2 无损检测  15-16
    1.2.3 结构的“健康”监测  16-17
    1.2.4 飞行器隐形  17-18
  1.3 复合材料光纤光栅传感器存在的问题  18-22
    1.3.1 FBG传感器研究方面存在的问题  18-20
    1.3.2 埋入光纤对复合材料力学性能的影响  20-21
    1.3.3 光纤内埋部分的处理及引出设计  21-22
  1.4 研究的内容  22-24
第2章光纤光栅传感机理  24-35
  2.1 光纤光栅基本原理  24-27
  2.2 光纤光栅的传感机理  27-34
    2.2.1 光纤布喇格光栅的应变传感模型  27-32
    2.2.2 光纤光栅的温度传感模型  32-34
  2.3 本章小结  34-35
第3章复合材料FBG传感器的设计  35-53
  3.1 复合材料FBG传感器的设计理论与方法  35-42
    3.1.1 复合材料的结构设计及制法  36-38
    3.1.2 复合材料FBG传感器的细观力学和应变传递  38-40
    3.1.3 复合材料FBG传感器的设计、参数与材料的选择  40-42
  3.2 复合材料FBG传感器的设计  42-46
    3.2.1 基体材料的选择  43
    3.2.2 具体封装工艺  43-46
  3.3 界面传递特性与误差修正  46-52
    3.3.1 光纤应变传感多层界面传递特征值统一形式  47-48
    3.3.2 光纤光栅应变传感的界面传递特性  48-49
    3.3.3 光纤光栅应变传感界面传递的平均应变分析  49-50
    3.3.4 光纤光栅应变传感的误差分析与修正  50-52
  3.4 本章小结  52-53
第4章复合材料FBG传感器的力学性能与传感性能试验  53-73
  4.1 复合材料FBG传感器的力学性能测试  53-56
    4.1.1 轴向拉伸试验  53-55
    4.1.2 层间拉伸试验  55-56
  4.2 复合材料FBG传感器的应变传感性能分析  56-63
    4.2.1 光纤传感器应变测量分析  56-57
    4.2.2 复合材料FBG传感器应变标定试验  57-58
    4.2.3 试验结果分析  58-62
    4.2.4 实验结论  62-63
  4.3 复合材料FBG传感器的温度传感性能分析  63-68
    4.3.1 光纤传感器应变测量分析  63
    4.3.2 复合材料FBG传感器温度测量试验  63-68
    4.3.3 结果分析与讨论  68
  4.4 光纤光栅复合材料与结构的智能健康监测和损伤诊断系统的实现  68-70
  4.5 复合材料FBG传感器在实际工程中的应用  70-71
    4.5.1 工程概况及传感器安装  70-71
    4.5.2 工程测试及结果分析  71
  4.6 本章小结  71-73
第5章总结与展望  73-75
  5.1 研究总结  73
  5.2 展望  73-75
参考文献  75-78
在攻读研究生期间发表的学术论文  78-79
致谢  79

复合材料FBG传感器的设计理论与工艺研究

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