双膜结构FBG土压力传感器优化设计及灵敏度分析.pdf
《双膜结构FBG土压力传感器优化设计及灵敏度分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《双膜结构FBG土压力传感器优化设计及灵敏度分析.pdf(14页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、Mar.2024Electronics and Information EngineeringJOURNALOF APPLIEDSCIENCES2024年3 月Vol.42No.2第4 2 卷第2 期应用报学科学DOI:10.3969/j.issn.0255-8297.2024.02.006双膜结构FBG土压力传感器优化设计及灵敏度分析邢广志1,陈博智2,吴文婧11.江苏科技大学土木工程与建筑学院,江苏镇江2 12 10 02.中国联合工程有限公司,浙江杭州310 0 51摘要:为实现桩基础结构安全及其服役状态的监测和有效评估,提出一种双膜结构土压力传感器,以光纤布拉格光栅(fiberBrag
2、ggrating,FBG)为传感元件,通过保护结构中增加的温度补偿膜,实现温度作用与外部荷载作用的彻底分离。基于双膜结构土压力传感器的工作原理,讨论了传感器压力灵敏度系数特性。结合有限元分析和实验研究,对灵敏度系数的影响参数展开了系统分析。数值分析结果表明,膜片厚度对压力敏感度系数的影响最大,结构半径和膜片厚度可选取为2 0 mm和1.8 mm;实验结果表明,在0 2 MPa范围内,压力灵敏度系数达3.32 pm/kPa。关键词:光纤布拉格光栅;双膜结构;土压力传感器;灵敏度分析中图分类号:TN253文章编号:0 2 55-8 2 9 7(2 0 2 4)0 2-0 2 4 8-14Optim
3、al Design and Sensitivity,Analysis ofDouble-Diaphragm Structure FBG Soil Pressure SensorsXING Guangzhil,CHEN Bozhi?,WU Wenjingl1.School of Civil Engineering and Architecture,Jiangsu University of Science andTechnology,Zhenjiang 212100,Jiangsu,China2.China United Engineering Co.Ltd.,Hangzhou 310051,Z
4、hejiang,ChinaAbstract:In order to realize the health monitoring and effective evaluation of the pilefoundation structure safety and its service state,a double-diaphragm structure soil pres-sure sensor is proposed in this paper.Fiber Bragg gratings(FBGs)are used as the sensingelement.By adding a temp
5、erature compensation film in the protective structure,completeseparation of temperature effects and external load impacts is achieved.Based on the work-ing principle of a double-diaphragm structure soil pressure sensor,the pressure sensitivitycoeficient characteristics of the sensor are discussed.A
6、systematic analysis is conductedon the influencing parameters of sensitivity coefficient by combining finite element analysisand experimental research.Numerical analysis results show that the thickness of the mem-brane has the greatest impact on the pressure sensitivity coefficient.The structural ra
7、diusand membrane thickness can be set as 20 mm and 1.8 mm,respectively.Experimentalresults show that within the range of 02 MPa,the pressure sensitivity coefficient reaches3.32pm/kPa.收稿日期:2 0 2 2-11-0 1基金项目:江苏省产学研合作项目(No.BY2022063);上海市科委重点实验室项目(No.SKLSFO2021-06)资助通信作者:吴文婧,博士,研究方向为大型结构健康监测及智能传感。E-mai
8、l:w w j z s l 8 7 12 6.c o m第2 期249邢广志,等:双膜结构FBG土压力传感器优化设计及灵敏度分析Keywords:fiber Bragg grating(FBG),double-diaphragm structure,soil pressure sensor,sensitivityanalysis近年来基于光纤布拉格光栅(fiberBragggrating,FBG)的新型薄膜式压力传感器凭借其厚度薄、形状多样、抗压强度高、灵敏度高及价格低廉等优点在各技术领域广泛被应用。文献1 研制了一种双膜式FBG土压力传感器,有效改善了与土压力传感器接触部分的土压力分布不均的
9、问题。文献2 基于短栅距FBG设计了适用于地质力学模型实验的微型FBG土压力传感器,并对尺寸进行优化。文献3 基于地铁深基坑地下连续墙主应力的三维变化,设计研制了基于光纤光栅的三维土压力传感装置。文献4 根据土压力传感器和土介质的匹配原则,设计了一种微型布拉格光栅土压力传感器,通过数值模拟静力分析,得到了传感器在面荷载作用下金属膜片的应变分布情况。文献5 对光纤光栅土压力盒膜片进行了有限元分析,推导了膜片在法向均布荷载作用下的径向应变公式,给出了膜片尺寸的建议值。文献6 基于增材制造技术制备了一种FBG土压力传感器,为土体内部的压力监测提供了一种新思路。文献7 提出了一种以方形膜片为主要传感元
10、件的高灵敏度FBG压力传感器,并进行了理论和实验验证。在膜片式土压力传感器的温度补偿方面,文献8 在已有基础上设计了一种焊接结构双膜片光纤光栅温度自补偿土压力传感器,可同时测量温度和土压力两个参量。文献9 针对温补光栅的处理不足,提出了一种新颖的光纤光栅压力传感器结构,通过膜片在外界压力作用下产生向内的挠度拉动测压光栅以实现压力传感,并引入串接的温补光栅,实现了测压过程中的温度精确补偿。文献10 提出了一种基于悬臂膜片的压力传感器,采用波长差分测量方法,有效地提高了压力灵敏度,降低了温度交叉灵敏度。文献11 提出了一种用于高压测量的温度补偿膜片型光纤光栅传感器,本文在薄膜式压力传感器已有的研究
11、基础上,通过增加与压力感应膜片完全相同的温度补偿膜,提出了一种具有温度补偿功能的双膜结构FBG压力传感器的优化设计,并围绕相关敏感参数进行灵敏度分析。该传感器可应用于桩基础的侧向土压力及桩顶压力的监测,从而保证桩基础建设和运行期内的结构安全,实现桩基础服役状态的有效评估。1双膜结构FBG土压力传感器工作原理1.1FBG基本传感原理光纤光栅是利用光纤材料的光敏性,在纤芯内形成折射率的周期变化,其作用相当于在纤芯内形成一个窄带滤波器(透射)或反射镜(反射),从而使光的传播行为发生改变。光纤光栅被视为一种理想的传感材料,通过对布拉格中心波长的监测,可以实现对外界参量的传感,如应变、温度、形变、压力和
12、液位等。FBG类似于波长选择反射器,满足布拉格衍射条件的入射光在FBG处被反射,反射光谱在FBG中心波长位置出现峰值12 ,传感原理如图1所示。光纤传输耦合器宽带光源光纤布拉格光栅频谱分析仪图1传感原理图Figure 1 Sensing principle diagram250第4 2 卷应用科报学学1.2传感器工作原理基于FBG基本工作原理,本文提出一种双膜结构FBG压力监测传感器,其结构示意图如图2 所示。该传感器在保护结构中增加一块与压力感应膜片材料完全一致的温度补偿膜,实现温度作用与外部荷载作用的分离。通过温度补偿膜处FBG1的光栅波长变化量,可确定温度引起的光栅波长变化量与温度补偿膜
13、应变引起的光栅波长变化量之和。当该传感器受到外部压力荷载作用时,由于温度补偿膜几乎不存在径向应力,且无直接受力,因而将FBG2的光栅波长变化量减去FBG1的光栅波长变化量,即可获得外部均布压力荷载引起的FBG2的光栅波长变化量,进而确定压力荷载值。由此可知,本文提出的传感器不仅考虑了温度对光栅的影响,还考虑了温度引起的结构形变,实现了环境温度影响的完全剔除。Temperature compensation plateFBG1FBG2个个个个个个个个不不个个个个个个个PressureDiaphragm2R图2 结构示意图Figure 2 Structure diagram由光纤光栅的基本原理可知
14、,当光栅受到诸如外力和温度等环境因素影响时,反射光谱中FBG中心波长会发生漂移,波长漂移量与应变和温度的关系可表示为(1-pe)e+(+)T(1)入式中:入为FBG波长的变化量;入为FBG初始中心波长;为FBG的应变;Pe,分别为光纤的有效弹光系数、热膨胀系数和热光系数。腔体内壁厚度较厚,其在受压力时等效应力较小,可忽略不计。此时,粘贴在温度补偿膜中心的温度补偿光栅FBG1不受外部荷载影响,只有温度引起的光栅波长变化。由于FBG1与FBG2所处环境一致,且为同种性质材料,因此外部压力荷载引起的光栅波长漂移量与应变的关系为入2A入1=(1-Pe)e(2)入2入1式中:入1和入2 分别为FBG1和
15、FBG2的波长变化量;入1和入2 分别为FBG1和FBG2的初始中心波长。在外界均匀压强P作用下,受压膜片下表面距中心r处的径向应变和切向应变分别为133P(1-2)(R?-3r2)(3)8Eh23P(1-?)(R2-r2)(4)8Eh2式中:E、h和R分别为受压膜片的弹性模量、泊松比、膜片厚度和结构半径。第2 期251邢广志,等:双膜结构FBG土压力传感器优化设计及灵敏度分析根据式(3)和(4),受压膜片中心等效的最大主应变为3V2R2Ec=(1-2)P(5)8Eh2根据式(1)和(5),FBG波长漂移量差值可表示为入2A入1=KP(6)入2 一入1式中:压力灵敏度系数为3V2(1-2)R2
16、K=(1-pe)(7)8E2式(6)表明,压力引起的波长漂移量与压力荷载呈线性关系,其线性相关系数为传感器压力灵敏度系数K。观察式(7)可知,在光栅长度及质量确定的情况下,本文所提出的土压力传感器的压力灵敏度还会受到受压膜片材料性质、结构半径和厚度等参数的影响。围绕基于FBG圆形膜片感知结构的压力传感器性能研究,本文聚焦于传感器压力灵敏度系数特性的讨论,综合采用理论分析与实验研究的手段,并辅以有限元数值计算,就影响传感器压力灵敏度系数的主要因素开展系统分析,完成双膜结构压力传感器灵敏度的敏感性研究。2土压力传感器参数敏感性分析本文采用有限元数值分析方法开展双膜结构土压力传感器灵敏度系数的敏感性
17、分析。通过建立原型结构的精细化数字模型,对比数值计算结果与理论计算结果,验证其模型模拟结果的有效性;根据理论分析,以结构材料、膜片半径、膜片厚度三方面为主要研究对象,采用控制单一变量法,联合横向比较和纵向深入研究,实现不同因素对结构的影响规律和程度的探究。2.1有限元分析模型建立本文基于ANSYS2020R2有限元软件建模,模型采用Solid186单元模拟传感器结构,盖板与腔体的接触类型选用bonded类型,模型如图3所示。采用四面体单元划分模型网格,温度补偿膜网格划分采用六面体单元,网格大小均为1mm,模型共包括157 9 6 2 个节点,9 7 9 2 8 个单元。提取(-R/V3,R/V
18、)范围的应变结果作为光栅的应变,设置传感器周边Temperature compensation plateDiaphragm图3有限元模型Figure 3 Finite element model第4 2 卷252应用科报学学为固定边界,并对底面压强荷载、结构材料、结构半径、膜片厚度,中心应变等进行参数化定义和数值模拟分析。2.2数值模拟实验工况在实际工程应用中,土压力传感器的灵敏度和测量范围均需控制在一定范围内。即本文提出的双膜结构土压力传感器既要保证具有较高的压强测量分辨率,又要保证能够覆盖实际应用中可能出现的极端荷载,因此,在探讨传感器压力灵敏度系数的敏感性时,需同时考虑外荷载及压力灵敏
19、度情况。表1为有限元数值模拟工况,根据式(7)选取受压膜片材料性质、结构半径和膜片厚度作为研究对象,考察其在0 5MPa的外荷载作用下,对灵敏度系数的影响规律。其中,考虑到传感器应用环境、制作成本及加工便捷性等原因,选择了普通钢材、铝合金以及不锈钢3种传感器材料:几何尺寸方面主要考虑其测量范围及精度需求,分别确定感应膜片半径变化范围为16 2 4 mm、感应膜片厚度范围为1.3 2.3mm,以满足要求。表1数值模拟工况表Table 1 Working state table for numerical simulationNumberMaterialPressure/MPaR,h/mm1Ste
20、el2Aluminium alloy0520,1.8 3Stainless steel16,1.3 16,1.4 16,1.5 16,1.6 16,1.7 16,1.8416,1.9 16,2.0 16,2.1 16,2.2 16,2.317,1.3 17,1.4 17,1.5 17,1.6 17,1.7 17,1.8517,1.9 17,2.0 17,2.1 17,2.2 17,2.3Aluminium alloy518,1.3 18,1.4 18,1.5 18,1.6 18,1.7 18,1.8618,1.9 18,2.0 18,2.1 18,2.2 18,2.319,1.3 19,1.4
21、 19,1.5 19,1.619,1.719,1.8719,1.9 19,2.0 19,2.1 19,2.2 19,2.320,1.3 20,1.4 20,1.5 20,1.6 20,1.7 20,1.8820,1.9 20,2.0 20,2.1 20,2.2 20,2.321,1.321,1.4 21,1.5 21,1.621,1.721,1.8921,1.9 21,2.0 21,2.1 21,2.2 21,2.322,1.3 22,1.4 22,1.5 20,1.6 22,1.7 22,1.81022,1.9 22,2.0 22,2.1 22,2.2 22,2.323,1.3 23,1.4
22、 23,1.5 23,1.6 23,1.7 23,1.81123,1.9 23,2.0 23,2.1 23,2.2 23,2.324,1.3 24,1.4 24,1.5 24,1.6 24,1.724,1.81224,1.9 24,2.0 24,2.1 24,2.2 24,2.3253第2 期邢广志,等:双膜结构FBG土压力传感优化设计及灵敏度分析选择工况2 的数值模拟结果,通过对受压膜片中心应变的有限元数值分析值与式(5)的计算结果进行对比,验证有限元分析模型。图4 中给出的理论计算与数值分析的计算结果表明,两种分析方法计算的中心应变结果基本相同,所建模型可以进行关键参数的影响分析。2100
23、1 800-Numerical analysis value.-.Theoreticalvalue1.5003m/ure.s12200900600300工02468Pressure/MPa图4 理论值与数值分析计算结果对比Figure 4 Comparison between theoretical value and numerical analysis results2.3材料性质敏感性研究结构半径和厚度分别为2 0 mm和1.8 mm时,对前3个工况所示的3种不同材料性质的压力传感器展开数值分析研究,相关材料参数如表2 所示。0 5MPa的外荷载作用下,3种结构材料的膜片应变变化情况如图
24、5和6 所示。表2 材料参数表Table 2 Material parameter tableNumberMaterialE/GPa1Steel2060.302Aluminium alloy710.343Stainless steel1930.31由图5可知,在外部压强作用下,在膜片中心光栅应变监测的范围内,距离中心越近,应变值越大且应变变化速率越快。由图6 可发现,在不同压强作用下,3种材料的应变变化趋势一致,应变值随外部荷载的增大而增大,且铝合金结构的膜片应变变化最大。同时还注意到,采用不同弹性模量的材料,在同程度荷载作用下,铝合金材料的应变结果远大于其他两种结构材料,其对压力变化更具敏感
25、性。在0 2 MPa压力荷载阶段圆膜中心处与边缘处应变基本相同。随着压力荷载的增加,圆膜中心处与边缘处应变差异性逐渐明显。因此,在0 2 MPa的工作环境下,可采用圆膜中心处FBG传感器监测值识别外部压力荷载大小。此外,铝合金与钢材、不锈钢的屈服强度相差不大,且具有较好的加工性能和良好的耐腐蚀性能,能够较好地应用于桩身周围进行土压力的测量。考虑到桩基础监测应用领域中压力环境较小,但监测灵敏度需求较高且工作环境恶劣,因此,本文提出的压力传感器采用铝合金作为受压膜片材料。254第4 2 卷应用报学科学图5膜片应变变化示意图Figure 5 Schematic diagram of diaphrag
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 膜结构 FBG 压力传感器 优化 设计 灵敏度 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。