现代监控量测新技术 课程讲义 授课人： 任亮 单位：大连理工大学建设工程学部 编制日期：2016年11月1且
现 代 监 控 量 测 新 技 术 课 程 讲 义 授课人： 任亮 单 位：大连理工大学 建设工程学部 编制日期： 2016 年 11 月 1 日
第一章：实验目的 (1)熟悉光纤光栅应变传感器、电阻应变计、加速度传感器、位移传感器、 倾角传感器的使用。 (2)了解在动力荷载作用下的结构响应。 (3)掌握结构振动控制原理及方法
第一章：实验目的 （1） 熟悉光纤光栅应变传感器、电阻应变计、加速度传感器、位移传感器、 倾角传感器的使用。 （2） 了解在动力荷载作用下的结构响应。 （3） 掌握结构振动控制原理及方法
第二章：传感器介绍 2.1光纤光栅应变传感器 45 6 增减敏型光纤光栅应变传感器 微型光纤光栅应变传感器 图1光纤光栅应变传感 光纤光橱本质就是光纤，是利用掺锗光纤非线性吸收效应的紫外全息曝光等 方法使纤芯中某一段长度上折射率周期性变化。 当 图2光纤光栅的结构 温度、应力等变化会导致光纤光栅反射的中心波长的变化，因此可以通过光 纤光栅反射光中心波长的变化反映外界被测信号的变化情况。 光纤光橱的中心波长漂移△1和纵向应变△s的关系为： AZ =(1-P.)Ae (1 ) n为光纤材料的弹光系数。对于在硅光纤中写入的光纤光 栅的测量灵敏度，在1550nm波段，应变系数为1.209pm/μe。 FBG 光纤 人 夹持部件 △ 八固定支点 图3两端夹持式光纤光橱应变传感器的原理图
第二章：传感器介绍 2.1 光纤光栅应变传感器 增减敏型光纤光栅应变传感器 微型光纤光栅应变传感器 图 1 光纤光栅应变传感器 光纤光栅本质就是光纤，是利用掺锗光纤非线性吸收效应的紫外全息曝光等 方法使纤芯中某一段长度上折射率周期性变化。 入射 透射 反射 图 2 光纤光栅的结构 温度、应力等变化会导致光纤光栅反射的中心波长的变化，因此可以通过光 纤光栅反射光中心波长的变化反映外界被测信号的变化情况。 光纤光栅的中心波长漂移 和纵向应变 的关系为： (1 )e P （ 1 ） 式中， d dn n Pe 1 为光纤材料的弹光系数。对于在硅光纤中写入的光纤光 栅的测量灵敏度，在 1550nm 波段，应变系数为 1.209pm/με。 图 3 两端夹持式光纤光栅应变传感器的原理图 L Lf FBG 夹持部件 固定支点 光纤 Ls
两端夹持式光纤光栅应变传感器的原理如图3所示。它由光纤光栅、两个夹 持部件以及两个固定支点组成。采用胶接的方法将光纤光栅固定于夹持部件内： 夹持部件为钢管：设两端固定支点的距离为L,两端夹持部件之间的距离为Lf 假设两固定支点间发生△L的轴向变形，由于钢管弹性模量较大，变形可以忽略 不计，因此可以认为固定支点之间的轴向变形量全部加载到长度为Lf的光纤上， 根据光纤以及夹持部件的截面积和弹性模量，可以得出被测结构的应变6与光 纤应变r的关系为公式3。 8= (2) 对于中心波长处于1550m波段的光纤光栅，传感器中心波长变化与外界应 变的关系为 ,微 (3) 2.2电阻应变计 图4电阻应变计
两端夹持式光纤光栅应变传感器的原理如图 3 所示。它由光纤光栅、两个夹 持部件以及两个固定支点组成。采用胶接的方法将光纤光栅固定于夹持部件内； 夹持部件为钢管；设两端固定支点的距离为 L，两端夹持部件之间的距离为 Lf。 假设两固定支点间发生 ΔL 的轴向变形，由于钢管弹性模量较大，变形可以忽略 不计，因此可以认为固定支点之间的轴向变形量全部加载到长度为 Lf 的光纤上， 根据光纤以及夹持部件的截面积和弹性模量，可以得出被测结构的应变 与光 纤应变 f 的关系为公式 3。 f f L L （2） 对于中心波长处于 1550nm 波段的光纤光栅，传感器中心波长变化与外界应 变的关系为 L L L L f FBG f f 1.2 （3） 2.2 电阻应变计 图 4 电阻应变计
图6电阻应变计结构 1一敏感栅：2-引线：3一粘结剂4一覆盖层：5一基底 阳之化的不费普行提瓷纳中提变音天楼装 是从敏感栅引出电信号的丝状或带状导线。 粘结剂：是具有一定电绝缘性能的粘结材料，用它将敏感栅固定在基底上。 覆盖层：用来保护敏感栅而覆盖在上面的绝缘层， 基底：用以保护敏感栅，并固定引线的几何形状和相对位置。 1)测量原理 电阻应变效应：电阻应变片能将力学量转变为电学量是利用了金属导线的应 变一 一电阻效应。我们知道，金属导线的电阻R与其长度L成正比，与其截面积 A成反比，即 式中P是导线的电阻率 将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面 的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会 随之变化。应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。 一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例 关系，即 △R作Xe △R为伸长或压缩所引起的电阻变化Q:K为比例常数（应变片常数）：€为应变。 不同的金属材料有不同的比例常数K。铜铬合金的K值约为2。这样，应变的测 量就通过应变片转换为对电阻变化的测量。 2)惠斯通电桥 惠斯通电桥适用于检测电阻的微小变化，应变片的电阻变化也可以用这个电 路来测量。如图7所示，惠斯通电桥由四个电阻组合而成
图 6 电阻应变计结构 1－敏感栅；2－引线；3－粘结剂 4－覆盖层；5－基底 电阻应变片的结构如图 6 所示，其中，敏感栅是应变片中把应变量转换成电 阻变化量的 敏感部分，它是用金属丝或半导体材料制成的单丝或栅状体。引线 是从敏感栅引出电信号的丝状或带状导线。 粘结剂：是具有一定电绝缘性能的粘结材料，用它将敏感栅固定在基底上。 覆盖层：用来保护敏感栅而覆盖在上面的绝缘层。 基底：用以保护敏感栅，并固定引线的几何形状和相对位置。 1）测量原理 电阻应变效应：电阻应变片能将力学量转变为电学量是利用了金属导线的应 变——电阻效应。我们知道，金属导线的电阻 R 与其长度 L 成正比，与其截面积 A 成反比，即 R=ρL/A 式中 ρ 是导线的电阻率。 将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面 的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会 随之变化。应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。 一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例 关系，即 ΔR/R= K×ε ΔR为伸长或压缩所引起的电阻变化Ω；K为比例常数(应变片常数)；ε为应变。 不同的金属材料有不同的比例常数 K。铜铬合金的 K 值约为 2。这样，应变的测 量就通过应变片转换为对电阻变化的测量。 2）惠斯通电桥 惠斯通电桥适用于检测电阻的微小变化，应变片的电阻变化也可以用这个电 路来测量。如图 7 所示，惠斯通电桥由四个电阻组合而成