聚氨酯封装FBG传感器的开发设计

发布时间：2020-06-13 16:49

【摘要】：人类的繁荣与发展越来越离不开各种丰富的海洋资源,而海洋资源的开发离不开各种装备,如海洋平台、限弯器、输油管道等,这些装备长期处于恶劣环境中,须对其进行健康监测。目前,光纤布拉格光栅(FBG)由于其尺寸小、精度高、花费低、灵敏度高、可靠的耐久性、抗电磁干扰性等优点,是用于长期结构监测的最佳选择,从而被广泛应用于工程监测领域中。但裸光纤光栅易断裂,需对其进行封装保护才能在实际工程中应用。据研究,FBG的封装方式多种多样,大多以金属、碳纤维、胶黏剂等封装为主,但此类封装的FBG传感器长期在极端环境中应用,会出现封装材料腐蚀、胶黏剂以及结构失效等不同程度的损坏。因此需选取一种适合长期在极端环境中应用的封装材料,使其封装的FBG传感器在恶劣环境中能长期稳定地提供监测数据。因聚氨酯优异的综合性能(如耐磨、耐腐蚀、质轻、耐水解、花费低等),本文选用聚氨酯弹性体作为封装材料,对用其封装的FBG传感器进行了以下研究:首先,设计了腔体为工字型的模具和封装方法,用预聚物法制备聚氨酯弹性体(CPU),用手工浇注法对模具内的FBG进行封装,制备应变传感器。通过对FBG传感器进行标定、测定有效测量范围、现场应用测试对CPU封装制备的FBG应变传感器的性能进行了实验研究。实验结果表明,所制备的FBG应变传感器灵敏、线性度良好,有效测量范围达到了14000με。此外,通过光学显微镜观察CPU与光纤光栅结合界面,发现两者界面结合没有明显的孔隙,且无相对滑移。其次,在封装测试后发现,上述封装的FBG传感器的灵敏度参数为0.835 pm/με,低于裸FBG的1.2 pm/με。为提高其灵敏度参数,重新设计了模具腔体,由工字型改进为两端加厚的哑铃状。采用新的封装方法制备FBG应变传感器,通过应变标定实验,得出哑铃状的FBG传感器灵敏度参数为0.926 pm/με,是工字型FBG传感器的1.1倍。最后,为探究封装材料对FBG传感器性能的影响,本文采用不同弹性模量的CPU封装FBG制备应变传感器。采用预聚体法制备出模量分别为10、500、1000 MPa的CPU,分别封装出FBG_1、FBG_2、FBG_3传感器。通过FBG传感器的标定试验、老化试验、有效测量范围测试、聚氨酯固化对其性能进行研究,发现FBG_2传感器的灵敏性、稳定性、有效测量范围、中心波长漂移量在三者中最高,同时其有效测量范围达到20086.433με,灵敏度是裸FBG的1.12倍。因此,建议在实际工程应用中依据实际情况选用弹性模量为10~500 MPa的CPU封装FBG传感器。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TQ334.1

【相似文献】