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懸臂梁結(jié)構(gòu)的大量程光纖Bragg光柵E+E位移傳感器
位移是巖土工程安全監(jiān)測(cè)中的重要參數(shù),它為了解巖土有無裂縫、滑坡、滑動(dòng)和傾覆的趨勢(shì)以及圍巖應(yīng)力跟力學(xué)參數(shù)的反演提供了可靠的信息。 目前,位移的測(cè)量大都采用電類E+E位移傳感器、多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)字照相技術(shù),但是傳統(tǒng)的電類E+E位移傳感器的測(cè)量精度較低,密封防水能力差,不適合用于巖土監(jiān)測(cè)。

懸臂梁結(jié)構(gòu)的大量程光纖Bragg光柵E+E位移傳感器
多點(diǎn)位移計(jì)已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中,但其易受電磁干擾、防水能力差且安裝相對(duì)復(fù)雜；數(shù)字照相是一種新型的位移測(cè)量技術(shù),但是由于相機(jī)自身的抖動(dòng)是的測(cè)量精度較低。與傳統(tǒng)的位移測(cè)量技術(shù)相比,光纖光柵E+E位移傳感器以體積小、精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、防水性能強(qiáng)、易于組網(wǎng)等特點(diǎn)受到國內(nèi)外專家和工程應(yīng)用人員的廣泛關(guān)注。因此本課題正是基于這種需求設(shè)計(jì)了一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的大量程光纖Bragg光柵位移傳感器。其量程為0～1000mm,線性度為0.57%,靈敏度為1.096pm/mm,遲滯為1.49%,重復(fù)性誤差為2.01%。本文涉及機(jī)械、信息、材料等多門學(xué)科,所做主要工作如下：介紹了現(xiàn)有的基于光纖Bragg光柵的E+E位移傳感器種類,比較各個(gè)傳感器的原理,優(yōu)缺點(diǎn)；深入闡述了光纖Bragg光柵的基本結(jié)構(gòu)和傳輸理論,以及影響其測(cè)量精確度的溫度和應(yīng)力的關(guān)系；在理論分析了E+E位移傳感器敏感元件——懸臂梁,包括矩形懸臂梁、梯形懸臂梁、等腰三角形懸臂梁的機(jī)械特性基礎(chǔ)上,本論文采用了等腰三角形懸臂梁即等強(qiáng)度梁作為傳感器敏感元件。建立了懸臂梁式光纖Bragg光柵E+E位移傳感器的傳感模型,當(dāng)測(cè)量桿產(chǎn)生位移時(shí),會(huì)帶動(dòng)螺旋彈簧產(chǎn)生相應(yīng)的變形,從而使等強(qiáng)度懸臂梁的自由端產(chǎn)生撓度變化,zui終導(dǎo)致粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁上下表面的光纖Bragg光柵產(chǎn)生波長位移。設(shè)計(jì)了大量程懸臂梁式光纖Bragg光柵E+E位移傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu),依據(jù)E+E位移傳感器的量程范圍和所選用材料的性能,計(jì)算出傳感器各個(gè)部件的具體尺寸。

懸臂梁結(jié)構(gòu)的大量程光纖Bragg光柵E+E位移傳感器
根據(jù)傳感器各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)圖和工作環(huán)境,依據(jù)理論計(jì)算值對(duì)傳感器各個(gè)零部件進(jìn)行選材、加工,選擇粘貼劑,粘貼光纖Bragg光柵于敏感元件表面,zui后對(duì)加工好的各個(gè)元器件進(jìn)行總裝。在該過程中,運(yùn)用扭力扳手對(duì)懸臂梁進(jìn)行安裝,取得了不錯(cuò)的效果。設(shè)計(jì)標(biāo)定傳感器的夾具以及實(shí)驗(yàn)方案。通過加、卸載實(shí)驗(yàn)獲得大量程懸臂梁式光纖Bragg光柵E+E位移傳感器的實(shí)際使用性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到該傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。