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懸臂梁結(jié)構(gòu)的大量程光纖Bragg光柵E+E位移傳感器
位移是巖土工程安全監(jiān)測中的重要參數(shù),它為了解巖土有無裂縫、滑坡、滑動和傾覆的趨勢以及圍巖應(yīng)力跟力學參數(shù)的反演提供了可靠的信息。 目前,位移的測量大都采用電類E+E位移傳感器、多點位移監(jiān)測技術(shù)和數(shù)字照相技術(shù),但是傳統(tǒng)的電類E+E位移傳感器的測量精度較低,密封防水能力差,不適合用于巖土監(jiān)測。

懸臂梁結(jié)構(gòu)的大量程光纖Bragg光柵E+E位移傳感器
多點位移計已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)力學模型試驗中,但其易受電磁干擾、防水能力差且安裝相對復(fù)雜；數(shù)字照相是一種新型的位移測量技術(shù),但是由于相機自身的抖動是的測量精度較低。與傳統(tǒng)的位移測量技術(shù)相比,光纖光柵E+E位移傳感器以體積小、精度高、抗電磁干擾能力強、防水性能強、易于組網(wǎng)等特點受到國內(nèi)外專家和工程應(yīng)用人員的廣泛關(guān)注。因此本課題正是基于這種需求設(shè)計了一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的大量程光纖Bragg光柵位移傳感器。其量程為0～1000mm,線性度為0.57%,靈敏度為1.096pm/mm,遲滯為1.49%,重復(fù)性誤差為2.01%。本文涉及機械、信息、材料等多門學科,所做主要工作如下：介紹了現(xiàn)有的基于光纖Bragg光柵的E+E位移傳感器種類,比較各個傳感器的原理,優(yōu)缺點；深入闡述了光纖Bragg光柵的基本結(jié)構(gòu)和傳輸理論,以及影響其測量精確度的溫度和應(yīng)力的關(guān)系；在理論分析了E+E位移傳感器敏感元件——懸臂梁,包括矩形懸臂梁、梯形懸臂梁、等腰三角形懸臂梁的機械特性基礎(chǔ)上,本論文采用了等腰三角形懸臂梁即等強度梁作為傳感器敏感元件。建立了懸臂梁式光纖Bragg光柵E+E位移傳感器的傳感模型,當測量桿產(chǎn)生位移時,會帶動螺旋彈簧產(chǎn)生相應(yīng)的變形,從而使等強度懸臂梁的自由端產(chǎn)生撓度變化,zui終導(dǎo)致粘貼在等強度懸臂梁上下表面的光纖Bragg光柵產(chǎn)生波長位移。設(shè)計了大量程懸臂梁式光纖Bragg光柵E+E位移傳感器的機械結(jié)構(gòu),依據(jù)E+E位移傳感器的量程范圍和所選用材料的性能,計算出傳感器各個部件的具體尺寸。

懸臂梁結(jié)構(gòu)的大量程光纖Bragg光柵E+E位移傳感器
根據(jù)傳感器各個部件的結(jié)構(gòu)圖和工作環(huán)境,依據(jù)理論計算值對傳感器各個零部件進行選材、加工,選擇粘貼劑,粘貼光纖Bragg光柵于敏感元件表面,zui后對加工好的各個元器件進行總裝。在該過程中,運用扭力扳手對懸臂梁進行安裝,取得了不錯的效果。設(shè)計標定傳感器的夾具以及實驗方案。通過加、卸載實驗獲得大量程懸臂梁式光纖Bragg光柵E+E位移傳感器的實際使用性能。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到該傳感器的各項性能指標。