項目運(yùn)用實(shí)驗(yàn)材料

基于等強(qiáng)度懸臂梁的新型光纖光柵傾角傳感器研傳統(tǒng)監(jiān)測在大跨斜拉橋斜量的中存在諸不足如量精度高Gs379.73p0.01率為0.041橋梁工程的安全監(jiān)測工作也隨之頻繁，已逐漸引起人們的重視。2010724日，因遭遇特大暴雨導(dǎo)致潭頭鎮(zhèn)湯營村伊河湯營大橋整體垮塌橋上眾多滯留人員不幸落入水中，50人遇難；2012824日，由于大型車輛超載，導(dǎo)致哈爾濱機(jī)場高速公法。2000年，F(xiàn)erdinand等人[]3FBGs自由張F(tuán)BGs易受到外界干擾，在長期監(jiān)測中會影響測量精度。2004年，Guan等人[]FBGs封裝在實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。2011年，Au等人[]4FBGs固定于質(zhì)量塊和框架之間。該傳感器不僅沒有任何固有的機(jī)械關(guān)節(jié)/摩擦,還對溫度不敏感。但在此方案中，加工難度大且實(shí)用性不強(qiáng)。2012年，等人[]將2個FBGs對稱粘貼在等截面懸臂梁的正反兩面。雖說所設(shè)計使用不長。2017年，等人[]將2個FBGs對稱粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁的正反兩面。年，Liang等人[]11FBG22FBGs，實(shí)現(xiàn)了二維1號梁與鐘2019年，Zhang等人[]2FBGs粘貼在懸臂梁的上下表面,FBG中心波長偏移量的2FBG1所示，光纖光柵(FiberBraggGrating,FBG)是光纖芯部折射率的周期性調(diào)制。當(dāng)λB,可以由兩個參數(shù)表示B2neff neff為光纖的有效折射率，Λ是光柵的周期性。ξλB的波長位移的變化決定neff和Λ,這主要是受到軸向應(yīng)變的影響和環(huán)境溫度T。

其中f是熱膨脹系數(shù),是熱光系數(shù)和Pe（室溫下≈0.22）是有效彈光系數(shù)。通常,1，感器角度的變化轉(zhuǎn)動桿就會在一個維度內(nèi)擺動。當(dāng)轉(zhuǎn)動桿左側(cè)的梁1發(fā)生彎曲，使FBG1FBG12不FBG2FBG1的溫度補(bǔ)償。因此，F(xiàn)BGs，2FBG對于初始中心波長為和所處的環(huán)境溫度變化T(1P)

式中f為光纖的熱膨脹系數(shù)，為光纖材料的熱光系數(shù)，Pe為光纖材料的有效彈光系Pe0.22。F

（2）中的各個物理量分別是：g為重力加速度、m為質(zhì)量塊的質(zhì)量及為傳

=h=h由端受力而產(chǎn)生撓度w

w

其 =6mgsin

結(jié)合上 ，由此可得傾角與FBG波長漂移量1-2之間的關(guān)系為(1P)6mgsin

由上述的數(shù)學(xué)模型方程可知得到傾角與波長變化1-2L為梁的長度，b為梁的寬度，h為梁的厚度和E為梁的彈性模量，都為已知值。當(dāng)傳感器發(fā)生傾FBG的中心波長發(fā)生變化。（610mm21mm1mmS0.1mm1.2mm且步長為0.1mmLbFBG5所示。結(jié)合分析結(jié)果和工程設(shè)備的3852.94pm3

5LbFBG根據(jù)FBG合金鋼利用相位掩模技術(shù)沿單模光纖間隔約3nm了兩種不同反射波長的光纖光柵。(353ND，環(huán)氧樹脂，Billerica,MA,USA)將2個FBGs全粘貼在梁的表面上，接頭FBG1和FBG2在室溫下初始的中心波長分別為1531.8934nm、1534.2539nm2個FBGs通過光學(xué)熔焊機(jī)相互連接。當(dāng)傳6FBG傾角傳感器的科技生產(chǎn)的TLL-90S型數(shù)顯角度儀被用于測量傾角的大小，并作為基準(zhǔn)傾角標(biāo)定儀。它具有的測量精度為0.001°，量程可達(dá)到±180°，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。同時，采用課題組研制的四通道FBG波長解調(diào)器對實(shí)驗(yàn)中FBG的波長以20Hz頻率進(jìn)行實(shí)試，其精度能夠達(dá)到5pm。通過監(jiān)測FBG中心波長的漂移量，依據(jù)計算可得出傾7傾角標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置角為0°的波長。測試時，將可旋轉(zhuǎn)的支架勻速從0°開始以-2°的步長轉(zhuǎn)動至-10°，在依次以2°10°5-8秒。整個加載和卸載測試過程在穩(wěn)定的室溫89所示的實(shí)驗(yàn)過程中所測傳感器不同角度和波長位移的四條曲線。當(dāng)被測物體傾斜到最大角度時，F(xiàn)BG3859.46pm，與FBG4000pm10所示。結(jié)果表明，三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間存在較強(qiáng)的91011為三次重復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值的線性擬合曲線?？梢灾庇^地看出，該傳感器的靈敏29.68pm/°，在±30°R2達(dá)到0.99992FBG波長解調(diào)器的分辨率和精度參數(shù)可知，傾角傳感器的分辨率約為0.1/29.68=0.003°,5/29.68=0.168°。與現(xiàn)有的傾角傳感器相比，該傳感器具有較高FBG傾角傳感器的實(shí)際應(yīng)用提供了有利的幫助。1140min時間后再恢復(fù)至水平狀態(tài)(0°)12為25-30min3pm以內(nèi)，且1213所示。13實(shí)驗(yàn)前，先將光纖光柵傾角傳感器平穩(wěn)放入杏林睿光科技生產(chǎn)的型號為在-8~4pm之間。產(chǎn)生誤差的原因是由于恒溫箱的風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)引起的，風(fēng)扇帶動了內(nèi)部的空氣14FBG1FBG2出的FBG傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傾角傳感器同時傾斜，在-30°~30°范圍內(nèi)以5°為步長進(jìn)量結(jié)FBG傳感器理論測量函數(shù)反推出對應(yīng)的角度，并與標(biāo)準(zhǔn)傾角00.1010.06°大。圖15精度。(a)精度測試對比圖;(b)精度絕對差值4FBGFBG傳感器在監(jiān)測傾斜量時FBG很容易產(chǎn)生啁啾，導(dǎo)致測量確。因此，該工藝過程需要綜FBG是粘貼在梁上，如果傳感器密封不好，5結(jié)果表明，該傳感器的測量范圍達(dá)到±4020.14pm/°，測量精度可達(dá)[]W.Sun,D.K.Liang,andJ.Zeng,“StudyonthesensitivityadjustablefiberopticFBGinclinationsensor,”Journalofmetrology,vol.33,no.6,pp.481-485,2012.[]B.O.Guan,H.Y.Tam,andS.Y.Liu,“TemperatureindependentfiberBragggratingtiltsensor,”IEEEPhotonTechnology,Lett,vol.1,no.16,pp.224–6,2004.[]H.Y.Au,K.Sunil,H.Y.Fu,W.H.Chung,andH.Y.Tam,“Temperature-insensitivefiberBragggratingbasedtiltsensorwithlargedynamicrange”,J.LightwaveTechnology,vol.29,no.11,pp.1714-1720,2011.[]M.Liang,X.FangandS.Li,“AfiberBragggratingtiltsensorforposturemonitoringofhydraulicsupportsincoalmineworkingface”,ELSEVIERMeasurement,vol.138,no.10,pp.305-313,[]C.Zhang,Y.Ge,andZ.Hu,“Researchondeflectionmonitoringforlongspancantileverbridgebasedonopticalfibersensing”,ELSEVIEROpticalFiberTechnology,vol.53,no.8,pp.102-035,2019.[]Y.Guo,L.Xiong,H.Liu.“ResearchontheDurabilityofMetal-PackagedFiberBraggGratingSensors,”IEEEPhotonicsTechnologyLetters,vol.31,no.7,pp.525-528,2019.[]T.Li,C.Shi,andH.Ren,“Three-DimensionalCatheterDistalSensingforCardiacAblationBasedonFiberBraggGrating”,IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,vol.23,no.5,pp.2316-2327,2018.[]L.Xiong,G.Jiang,Y.Guo,andH.Liu,“AThree-dimensionalFiberBraggGratingSensorforRobot,”IEEESensorsJournal,vol.18,no.9,pp.3632–3639,2018.[]