基于光纤分布式传感的表面应变测量技术研究

发布时间：2020-08-03 08:43

【摘要】：大型精密机械结构的制造装配和应用,驱动着表面应变测量向毫米量级空间分辨力发展。光纤分布式传感技术凭借可连续传感的能力得到了快速发展和应用。在光频域反射结合瑞利散射指纹谱进行应变传感时,一般采用短时傅里叶变换处理传感信号,其波长分辨力和传感空间分辨力相互制约导致应变分辨力在微应变量级时的传感空间分辨力只有厘米量级;同时,基于互相关进行光谱偏移量解算的方式限制了大应变测量的可行性;无法满足表面应变测量高空间分辨力和大量程的需求。本文针对上述问题,提出了一种基于连续小波变换的分布式传感信号处理方法和基于局部光谱相似性的光谱偏移量解算方法,在毫米量级传感空间分辨力下,应变分辨力达到微应变量级;应变量程从1000με提升到3000με。本文的主要内容包括以下四个方面:1、光纤分布式应变测量系统结构的设计:首先对光频域反射和瑞利光谱移动传感原理进行了分析;然后对光源非线性调谐效应对系统空间分辨力的影响和光源输出波长准确性对应变测量精度的影响进行了分析并确定补偿方案,完成分布式应变测量系统的结构设计。2、光纤分布式传感信号处理方法的研究:首先对传统的分布式传感信号处理方法的解调性能进行分析;然后展开对基于连续小波变换的分布式传感信号处理方法进行研究,建立小波变换参数和分布式传感信号的联系,分析该方法的分布式传感解调性能,完成分布式传感解调算法的改进和优化;而后对应变量程受限的原因进行分析,提出了基于局部光谱相似性的光谱偏移量解算方法,通过对局部瑞利光谱长度的优化获得局部瑞利光谱匹配时高光谱相似性,实现应变量程的提高。3、表面应变测量方法的研究:首先根据弹性微元纯弯曲模型建立被测表面应变和传感光纤局部片段轴向应变的传递关系;然后对矩形规则表面的光纤布置模型进行设计,完成分布式测量点二维坐标的确定;最后对表面应变测量时传感光纤粘贴模型参数对应变传递率的影响进行分析,确定合适的传感光纤粘贴模型参数。4、光纤分布式应变测量系统的搭建和性能测试:搭建测量系统,对分布式应变测量性能进行测试。测试结果表明,非线性误差为20με,占3000με量程的0.67%,系统1分钟稳定性为3.9με,1小时稳定性为7.3με。在3mm传感空间分辨力下应变分辨力达到5με,传感空间分辨力为20mm时,应变分辨力为1με,应变测量重复性结果为10.1με。最后,以4mm传感空间分辨力、3mm测量点间隔、440个分布式测量点对铝板表面分布应变进行了测量,测量结果的变化趋势和仿真结果一致。本文通过应变测量系统的设计和分布式传感信号处理方法的设计与优化,实现了毫米量级空间分辨力和量程为3000με的分布式应变测量,解决了机械结构表面应变连续测量困难的问题。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;TG806
【图文】：

示意图,涡轮机叶片,航空发动机叶片,和风

空航天[1]、风力发电[2]、交通运输[3]等领域，关键位置的机材料，其结构复杂、精密、体积庞大、对应力十分敏感。机转过程中，装配质量、流体作用、内应力作用、疲劳效应等机械结构的表面发生形变，影响系统的性能和寿命，严重时发生。所以，在这些机械结构的制造、装配、运行过程中，段对结构表面的应变进行测量。，在航空[4]、风力发电[5]的装备制造和检测中，对机械结构量要求越来越高。比如航空发动机、风力涡轮机的叶片如图是由多种增强材料耦合而成，叶片板层间的耦合性能会受到[6]。叶片长期工作在高速回转条件下，承受着巨大的离心力表面容易发生扭曲、脱层、断裂等现象，严重影响系统的性面形特殊，数量较多，尺寸跨度从厘米量级到米量级，这就测量的区域较大，测量点数目需求量多，测量点的间隔需要时叶片表面应变测量对测量精度要求也高，应变测量精度需。目前常用的方法是利用粘贴式和嵌入式的传感器对叶片表准分布式的测量，其空间分辨力只能达到厘米量级[7]。

示意图,航空发动机,螺栓,螺栓组

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文配合完成对螺栓预紧力和螺栓组拧紧状态一致性检测。螺栓装配表面间狭小，这就要求应变传感器配置简单；保证螺栓组拧紧一致性，这螺栓组拧紧时对多个螺栓孔附近进行测量点密集、连续的应变测量。所高传感空间分辨力的分布式应变测量方法对提高精密机械关键部件度具有重要意义。

示意图,应变测量系统,应变测量

相机数据采集光源被测表面图 1-3 数字图像测量法的典型结构示意图觉测量法近年来，随着计算机、精密机械控技术的提高，催生了机器视觉技术的发展[11]。应变测量的技术比较成熟。例如，美国 CSI 公任何照明和激光条件下对被测试件进行全场应示[12]。美国 GSI 公司的 V-STARS 系统也已经英国 Imetrum 公司的应变位移视频测量仪，其机器视觉虽然具有快速、无损、测量精度高的没有得到广泛应用，并且视觉测量作为非接触制了该方法在狭小测量空间下的应用。

【参考文献】