应变光学测量关键技术及在特种设备监测的应用

发布时间：2020-11-05 22:12

　　 科学技术的飞速发展对材料及结构件在载荷作用下的应变测量与监测方法要求越来越高。常用的应变测量与监测方法是以电阻应变计和振弦式应变计为代表的电测法,具有测量误差小、范围大的特点,但是它们存在传感器成活率不高、抗电磁干扰性差、钢弦丝长期处于张紧状态导致的蠕变现象十分严重等问题,难以实现设备长期、持续和在线监测。针对上述问题,本文以光学手段为基础,利用全场应变光学测量的数字散斑相关方法和点式应变光学监测的光纤光栅传感技术,研究和解决结构表面应力、应变和位移等力学信号的测量与长期监测问题。其中基于数字散斑相关方法的应变测量是通过对亚像素位移场的数学计算获得,其精度和速度的影响主要来自于位移场,因此有必要进一步完善亚像素位移场搜索算法。光纤光栅应变传感技术应用于长期监测时,被测基体与光纤之间通过中间层连接,由于中间层的剪切变形,导致光纤光栅测量应变与基体结构应变不同,因此需要准确获得光纤光栅应变与基体结构应变的关系,以提高应变的测量精度。因此,本文围绕上述内容的主要工作和创新点如下:1、改进了二元二次曲面拟合方法的亚像素位移搜索算法,利用模拟散斑图像,对改进后方法和现有方法进行对比分析,结果表明,减小了均值误差,提高了测量精度。2、针对亚像素位移测量方法中工程实践应用较好的梯度法的精度和速度优化问题,提出了粒子群和梯度法相结合的亚像素位移搜索算法。通过粒子群优化算法的全局搜索得出整像素初值,然后利用梯度算子进行亚像素位移搜索。利用模拟散斑图像和试件验证表明,粒子群优化算法和梯度法结合的亚像素位移搜索算法在计算精度、抗噪性能及计算效率方面均得到了明显提高。3、在不破坏管道表面力学性能的情况下,进行高温蠕变应变在线准确测量一直是一个测量难题。为此,本文提出并研制了利用二维数字散斑相关方法的在役高温管道的应变测量系统。在实验室利用拉伸试件对喷漆散斑场、焊接散斑场和电阻应变片进行对比,结果表明,三者具有良好的一致性。在现场主蒸汽管道上通过热膨胀系数测量的试验表明,该系统能用于高温管道应变的测量与监测,满足了工程实际需求。4、端接光纤光栅应变传感器具有无多峰、栅区不直接受力和各点受力相等等优点,在基片式和夹持式等传感器封装中得到广泛应用,由于粘接层的剪切变形,导致光纤光栅测量应变与基体结构应变不同,需要准确获得光纤光栅应变与基体结构应变的函数关系,以提高应变的测量精度。论文针对端接光纤光栅传感器应变损耗问题,基于剪滞理论推导了表面粘贴式端接光纤光栅应变传递方程,建立光纤光栅和基体之间的平均应变传递模型,给出粘接层和基体的物理特性参数对平均应变传递率的影响规律,并进行有限元和实验验证,揭示了提出模型的有效性和相比现有方法在测量精度方面的优越性。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP274
【部分图文】：

（５）钢弦丝长期处于张紧状态导致的蠕变现象十分严重等缺陷，难以实现长期可??靠、稳定的持续监测。??图１－１电站锅炉高温管道事故??Ｆｉｇ．?１－１?Ｈｉｇｈ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｐｉｐｅｌｉｎｅ?ａｃｃｉｄｅｎｔ?ｏｆ?ｐｏｗｅｒ?ｐｌａｎｔ?ｂｏｉｌｅｒ??「趣?１＿?■??图１－２岸桥起重机大梁断裂事故??Ｆｉｇ．?１－２?Ｂｒｉｄｇｅ?ｃｒａｎｅ?ｇｉｒｄｅｒ?ｂｒｅａｋａｇｅ?ａｃｃｉｄｅｎｔ??随着现代光学技术、光电子检测技术、数字图像处理技术和图像采集设备的??迅猛发展，利用光学方法实现应变测量与监测的光测力学技术和光纤传感技术，??己经成为力学特性测试、测量和监测中的重要分支。光测力学技术包括全息干涉??技术（ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ?ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）［”、电子散斑干涉技术（ｓｐｅｃｋｌｅ?ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）?４?°］、??云纹干涉技术（ｍｏｉｒ?６?Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）?６?］、全息光弹性法（ｈｏｌｏ－ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃｔｙ??２??

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采用理论、实验和现场试验相结合的研宄方法，从解决结构表面的全场变形和单??向变形角度出发，对全场应变光学测量的数字散斑相关方法和单向点式应变光学??监测的光纤光栅传感技术进行了深入研究。图１－３是论文的结构图。论文主要研究??内容包括六章，具体如下：??第一章介绍了论文的研究目的和意义，对本文关心的ＤＳＣＭ和ＦＢＧ的目前研??究进展进行了介绍，给出了本论文的研宄目标和主要研究内容。??第二章介绍了?ＤＳＣＭ基本原理和模拟散斑生成方法，针对亚像素位移搜索方??法，为在提高测量精度的同时提高测量速度，提出改进的二元二次曲面拟合方法，??利用模拟散斑进行了分析？，针对亚像素位移测量方法中工程实践应用较好的梯度??法的精度和速度优化问题，提出了粒子群优化和梯度结合法的亚像素位移测量方??法
【参考文献】

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本文编号：2872258