埋入金属结构的光纤Bragg光栅传感性能研究

论文摘要

金属结构在工业生产中有着广泛而不可替代的作用,光纤智能金属结构是国内外工程领域最活跃的研究热点之一。将光纤Bragg光栅（FBG）传感器埋入金属基体内部可以对结构的温度、应力/应变等进行实时监控并做出反应,从而提高金属结构的安全性和可靠性。成功地将FBG传感器埋入金属结构是非常困难而又富有挑战性的工作,也是实现FBG智能金属结构的首要问题,埋入金属结构后的FBG传感性能的研究是需要我们进一步探索的问题。在国家973前期基础研究专项、国家自然科学基金、江西省自然科学基金等项目的共同支持下,本文对光纤化学复合镀和双金属镀层保护工艺、金属化保护后的FBG温度传感性能、埋入金属结构的方法及其埋入后FBG横力弯曲传感性能开展了一系列的研究。首先,论文研究了如何实现光纤表面的化学复合镀Ni-P-ZrO2和Ni-Cu双金属镀层保护,通过大量实验得出了优化的化学复合镀Ni-P-ZrO2和化学镀Cu的工艺。化学复合镀Ni-P-ZrO2的工艺如下:硫酸镍（NiSO4·6H2O）25克/升,次亚磷酸钠（NaH2PO2·H2O）20克/升,硼酸（H3BO3）20克/升,丙酸（C3H6O2）20毫升/升,ZrO2微粒1-3克/升,温度为86℃,PH值为4～6,搅拌方式为间接间断晃动,搅拌强度为20-30次/小时。化学镀Cu的工艺如下:硫酸铜（CuSO4·5H2O）10克/升,酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O）40克/升,氢氧化钠（NaOH）8克/升,碳酸钠（Na2CO3）2克/升,氯化镍（NiCl2·6H2O）1克/升,37%甲醛（HCHO）20毫升/升,PH值为12,温度为30℃。其次,论文在比较分析现有的光纤传感器埋入金属基体方法后,经实验验证得出:钎焊连接的工艺方法是适合于金属镀层保护的FBG传感器埋入金属基体的方法,制备了镀镍光纤埋入金属基体后的金相样件,表明钎焊埋入方法是完全可行的,成功检测到了FBG传感器埋入后的温度传感信号,为实现FBG智能金属结构铺垫了基础。再次,论文应用弹性力学和材料力学基本原理建立了带有金属保护层（单金属镀层和双金属镀层）的FBG传感器温度传感模型,分析了金属镀层各参数对FBG温度传感性的影响,从理论上解释了金属镀层对FBG传感器的温度增敏原理,并提出镀层温度增敏效率这一参数来衡量金属镀层对提高FBG温度传感灵敏度的作用。论文提出:选择金属镀层时,不仅要从提高FBG的温度灵敏度系数方面考虑,还要兼顾镀层的温度增敏效率,没有必要盲目增加镀层厚度。温度传感实验分三组进行:第一组实验主要验证铜层对金属镀镍FBG的温度增敏作用,实验结果表明,铜层的加入确能提高FBG的温度灵敏性;第二组实验考察Ni-Cu双金属镀层的不同厚度组合对FBG温度传感性能的影响,实验结果与所建立的温度模型的误差在5%以内,表明该模型是合理可靠的;第三组实验主要考察Ni-Cu双金属镀层的FBG在钎焊埋入金属结构后的温度传感性能,结果表明,钎焊埋入后,Ni-Cu双金属镀层FBG温度传感滞后较埋入前有所缓解,可以用埋入前的理论温度灵敏度系数来预测埋入后FBG的温度传感性能。最后,论文研究了金属化FBG传感器钎焊埋入金属基体后,横力弯曲引起FBG传感器波长变化的机理,建立了FBG受到横力弯曲时的应力传感模型,分析了保护层、钎料层、埋入位置及其埋入误差对其传感性能的影响。论文提出尽量选取弹性模量大且厚度薄的保护层以及弹性模量低的钎料层,并且尽可能在靠近集中力作用点且埋入高度应远离中性层的位置处埋入FBG传感器。三点压弯实验表明,镀镍FBG钎焊埋入金属基体后的横力弯曲传感性能与压力传感模型预测结果基本一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 光纤智能结构概述
• 1.1.1 光纤智能结构的研究发展现状
• 1.2 光纤传感器
• 1.2.1 光纤光栅概述
• 1.2.2 光纤光栅的热稳定性
• 1.2.3 光纤Bragg光栅应变传感模型
• 1.2.4 光纤Bragg光栅温度传感模型
• 1.3 光纤的保护
• 1.3.1 化学镀
• 1.3.2 化学复合镀
• 1.3.3 电镀
• 1.4 光纤传感器的集成
• 1.5 本文研究背景及意义
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 光纤金属镀层保护
• 2.1 概述
• 2.2 镀前预处理
• 2.3 保护方案一
• 2.3.1 化学复合镀（Electroless plating）基本原理
• 2.3.2 影响化学复合镀的工艺参数
• 2实验'>2.3.3 光纤化学复合镀Ni-P-ZrO₂实验
• 2.4 保护方案二
• 2.4.1 化学镀铜基本理论
• 2.4.2 光纤化学镀铜实验及结果
• 2.4.3 电镀镍基本理论
• 2.4.4 光纤电镀镍实验及结果
• 2.5 本章小结
• 第3章 光纤Bragg光栅钎焊埋入金属基体
• 3.1 概述
• 3.2 钎焊连接原理
• 3.2.1 钎料
• 3.2.2 钎剂
• 3.2.3 感应钎焊
• 3.3 FBG埋入金属基体实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 金属化FBG温度传感性能研究
• 4.1 概述
• 4.2 Ni-Cu双金属镀层FBG温度传感模型
• z分析'>4.2.1 轴向热应力σ_z分析
• r分析'>4.2.2 径向热应力σ_r分析
• 4.2.3 温度传感模型
• 4.3 理论分析
• 4.3.1 双金属镀层参数分析
• 4.3.2 单金属镀层参数分析
• 4.3.3 镀层温度增敏效率
• 4.4 温度传感实验
• 4.4.1 第一组温度实验
• 4.4.2 第二组温度实验
• 4.4.3 第三组温度实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 埋入金属基体内的FBG横力弯曲传感性能研究
• 5.1 概述
• 5.2 埋入式FBG传感器在集中力作用下横力弯曲传感分析
• 5.2.1 受力分析
• 5.2.2 径向应力传递分析
• 5.2.3 FBG传感器横力弯曲传感模型
• 5.3 平均应力传递系数分析
• 5.3.1 镀层参数的影响
• 5.3.2 钎料层参数的影响
• 5.4 位置函数分析
• 5.4.1 不同位置的影响
• 5.4.2 位置误差的影响
• 5.5 FBG埋入金属基体及其三点压弯传感实验
• 5.5.1 FBG埋入金属基体
• 5.5.2 横力弯曲传感实验
• 5.5.3 实验结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果