用于桅杆监测的FBG传感器关键技术研究

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结构健康监测在实际工程中的应用越来越广泛,其中传感器的防护和安装是结构健康监测中的基础和前提,是重中之重。只有传感器能能够在复杂的外部环境下长期的正常工作,才能保证结构的健康监测能够可靠顺利的进行。大连船舶重工集团给VLCC打造一款拥有自主知识产权的风帆系统,传感器长期处于海水、盐雾腐蚀等恶劣环境下,在使用过程中很容易发生损坏。依托此项目的子课题,基于FBG传感器进行提高传感器耐久性的研究,实现传感器长期有效的测量。本文提出提高传感器使用寿命的保护措施,一方面是在FBG传感器的外面进行二次封装,焊接316L材质的不锈钢防护盒,光缆通过316L材质的防水接头与内部传感器连接;另一方面是通过填充密封胶保护光缆接头和焊点,这样即使水气盐雾等腐蚀环境入侵也能延长其入侵路线,达到长期监测的目的。主要研究内容与结论如下:(1)利用光功率计对工程用光纤光栅解调仪的输出功率和连接FBG传感器后的透射功率进行测试,sm130光纤光栅解调仪的输出功率为45.14μW,连接FBG后的透射功率为41.78μW,低于IEC 60079-28-2015标准所要求的安全光辐射功率,结果表明FBG传感器可以视为本安电路中的简单元器件,可以应用于防爆场合。(2)通过中性盐雾腐蚀加速试验,对比各腐蚀阶段FBG传感器的线性度、重复性,以及应变传递率的变化,探究使用填充密封胶延长传感器使用寿命的可行性。结果表明在腐蚀480h之前各FBG传感器试件的线性度保持良好都大于0.999;各FBG传感器试件在各个腐蚀阶段的重复性基本都稳定在3%左右。在腐蚀480h后,各胶粘剂封装的FBG传感器试件开始逐渐失效,应变传递率总体上呈先略微波动式下降,然后上升最后逐渐下降直至传感器完全失效。通过盐雾腐蚀试验,表明使用填充密封胶可以达到工程项目延长使用寿命的要求。(3)通过ABAQUS有限元模拟分析二次封装防护盒对结构本身变形的影响,提出减小影响的措施。对304不锈钢作为防护盒材料的试件进行静力拉伸试验,与模拟结果进行对比,试验误差为13.46%,模拟所得误差为18.74%,考虑有限元建模和试验的误差,试验所得的二次封装对结构变形影响与有限元计算所得的误差基本吻合。建立实际桅杆和防护盒模型进行有限元分析,结果表明二次封装对被测桅杆的变形影响十分微小,可以忽略不记,即对光纤光栅应变传感器进行二次封装是可行的。
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