光纤光栅应变传感器在霍普金森压杆上的冲击试
振动与冲击第31卷第1期OURNALOFVIRATIJ B HOCKONANDSrg光纤Bag光栅应变传感器在霍普金森压杆上的冲击试验研究杨吉祥 ,余尚江,陈显1武汉大学动力与机械学院,(.武汉407;.3022总参工程兵科研三所,河南洛阳703412)r光栅(B)g摘 要:利用复合材料封装光纤BagFG设计制作了用于测量高速碰撞或爆炸与冲击作用下混凝土内 BBB部动态应变的FG应变传感器。在霍普金森压杆上对FG在封装前的裸光栅和封装后的FG传感器分别进行了高速试验表明:冲击试验,B0,可设计的FG传感器的瞬态响应上升时间小于2 s具有良好的动态响应特性,以用于工程中混 凝土结构内高速冲击下的动态应变测试。rg光栅(B;关键词:光纤Bag霍普金森压杆;FG)爆炸与冲击;动态应变P1.4中图分类号:T221文献标识码:A hokts o irBrg rtn tansno n Sc etfrafbe aggaigsri esroaSHPBA iagxUSagfn HNXaiYNGJ—in ,Y hn-ag,CE in1colfwrn ehnc gneiWua nesyWua 302Cia P aEnvi (.Shoo oeadMcailnierg,hnUirt,hn407,hn;.TeTiEgeseec tuefh edurro eGnr tfPJLoag12,hn)dnni t2h hr nierRsrhIstto eHaqatsfh eeaSa,I,uyn 703Ciae tlfA4tatAbsrc:Asri esrpcae t abnfr enocdplme sdvlpeitcudb sdtFBG tansno akgdwihcro berifre oyrwa eeod,i ol eue oauednmi tani oceeune ih-pe mpc repoinadsok.OnasltHokno rsuebrmesr yacsri ncnrt drhgsediato xlso n hc pi pisnpesr ataFBG tansnohwi gsediattssweecnutd.T eut niae httetain epnerssri esr,hih-pe mpc et r odceherslsidctdta h rnsetrsos iei fteFBG esri estn2 s,tesnsrhsgo yacrsos hrceits,i a eue omesrtmeo hxsno sls ha 0tch eo a oddnmi epnecaatrsitcnb sdt auehednmi tani oceesrcue nrhg—pediat t yacsri ncnrt tutrsude ihse mpc.ywrsirrg rtbnFG)xlsnn sokpiotpisnrseaSP;uKe od:fe Baggaig(B;epoi adhc;sl Hokno pesr br(HB)ymcsridnai tan混凝土材料内部的应力应变是混凝土材料动态性能试验和混凝土结构动态响应分析所需要测试的一个重要内容,爆 当前在防护工程中的侵彻、炸效应研究、战场毁伤评估中需要解决混凝土中动态应力应变测试j而技术¨,为了获得混凝土内部动态应变的信息就必须借助于埋置于混凝土结构内的传感器。由于混凝土对内部的测量环境很复杂,传感器的各项性能要求很rgFbrrg rt,B作 n高。而光纤Bag光栅(ieBagGaigFG)为利用CR传感器的高速冲击试验结果表明,FP封装制成B可的FG应变传感器具有良好的动态响应特性,以运用于高速冲击环境下的混凝土结构内部的动态应变 测量。 B1FG应变传感器. B11FG应变传感器的设计BFG应变传感器是埋人混凝土结构内进行应变测一具有可靠性好,电磁干扰、种无源光电子器件,抗体重寿命长、于复用/复用、积小、量轻、便解远距离传输、 能在复杂恶劣的环境下工作等优点,光纤通耐腐蚀、在信和传感领域已经得到广泛的关注 JB。基于FG的优我们采用碳纤维复合材料(FP对FG进行越特性,CR)B制成了用于埋人混凝土内测量动态应变的传了封装,感器。为了验证设计的传感器在爆炸与冲击荷载作用在霍普金森压杆上进行了冲击试验。下的工作可靠性, BB对FG在封装前的裸光栅和封装后制作的FG应变l00—03修改稿收到日期:00—10收稿E期:218—1211—8第一作者杨吉祥男,17硕士生,96年生量的,如果光纤传感器的弹性模量、泊松比和线膨胀系光势必破坏混数与混凝土的不一致,纤传感器的埋入,导凝土的连续性,致光纤传感器所在处混凝土的应力集中 J。因此在传感器的封装结构设计时必须考虑以封装材料的弹性模量、松比和线膨胀系数与下因素:泊封 混凝土的一致或者接近;装材料应具有一定的强度,封以保护光栅在混凝土施工工程中不易损坏;装材料封装材料本身能够能够可以和混凝土材料可靠粘接;保护传感光栅不受环境(如潮湿、酸碱的腐蚀等) 浸蚀;使选择合适的封装结构和尺寸,其埋入后不影响结构封装结构应简单易于加工,于校的应力状态和分布;便传感器能够经受施工现场的恶劣准和安装埋设定位;26振动与冲击02年121第3卷环境(,如混凝土浇铸时振捣棒的振动)以及传输光纤 从试件中引出时的保护。FP是一种非常优秀的强化材料,比强度、CR其比CR模量远比通常的材料高,FP强化环氧树脂除了由于FP的强化获得很高的弹模外,能非常方便的应用CR还它到土木工程中,可以方便的粘贴在混凝土基体的表或 面,者埋入到混凝土中而与混凝土材料良好的匹配。而且碳纤维复合材料在密度、弹性模量等力学性质方面与混凝土材料比较接近 J。经过多次试验和比较, 考虑封装结构的加工性能以及传感器的校准方便性等确方面的因素,定CRFP作为光纤光栅传感器封装材B料。确定的FG应变传感器的结构示意图如图1所B碳示。FG外均匀包覆一层环氧树脂材料,纤维均匀o 长的变化-:AA =( A1一P)3()P为光纤有效弹光系数,为光纤光栅所感测式中:。 的轴向应变。3变形得将式() 1 ()A()A8 4)(通过检测△ 的变化,可见,A即可测得作用于光纤 上的应变 的大小。. B13FG波长的高速解调原理B对FG波长的变化进行解调采用的是线性边带滤其高速解调器的原理框图如图2所示,中波的方法,图I、I2表示由PN光电二极管组成的光电探测器,PN1PNI B耦合器1入光纤光栅传感宽带光源发出的光由3d进固 其器,中波长满足Bag条件的光被传感光栅反射后返,rg B耦合器2回耦合器1耦合器1的出射光经另一3d 一后分为强度相等的两束,束直接通过光电探测变成再电信号,经前置放大器和低通滤波器后作为系统的另一束,线性边缘滤波器,经光电转换参考信号,经再图1FG传感器结构不意图 B滤及放大、波后输出。由此通过光电转换将波长变化cFg1Teshmai igao h BGsnosi. h cetdarm feF esrtB地分布在环氧树脂中。FG熔接在具有铠装保护套的由引光纤上,封装结构一端引出,出头连接有标准接B 口。设计的FG应变传感器的主要技术指标如下:量程范围40eO ̄>± 01线性度≤1%回差.%≤05重复性.%≤O5瞬态响应上升时间2hs<Om。. B12FG的应变传感原理在光纤光栅是利用光纤材料的光敏性,纤芯内形其成空间相位光栅,实质作用是在纤芯内形成一个窄带的(滤波器或反射镜 。FG的折射率透射或反射)JB光呈固定的周期性调制分布,栅波矢方向与光纤轴线方向一致。当光经过FG时,据模式耦合理论可知,B根 当入射光的波长使得来自各光栅条纹的反射满足谐振光加强条件时,栅对入射光的反射率达到最大值,反射的峰值波长Agr条件: 满足Bag AB=2 nA()1 式中:为有效折射率,A为光栅周期; 当传感光纤光栅周围的应力应变发生变化时,由Bag栅引起的反射光峰值波长产生偏移,移量由rg光偏 下式确定:AA。AnAB=2n ?+2 ‘A△()2 式中:△价△为应力变化引起的有效折射率和光栅人周期的改变量值,变化大小与光纤光栅的本身特性其rg及受力状态有关。由光弹理论可以导出Bag光栅波 的光信号转变为易于观测的电信号。图2高速解调器的原理图g. rncpl ftehihse eduaoFi2Thepiieo h g peddmoltr BHP2FG应变传感器在SB上的冲击试验.21试验方法BBFG是制作FG应变传感器的敏感元件,为检验B我FG在封装前后对高频冲击信号的响应能力,们将BB未封装的FG和封装后制作的FG应变传感器分别 在分离式霍普金森压杆装置上进行了冲击试验研究。iHnnseSl pioPeu a,分离式霍普金森杆(ptoks rsrBr简称HP是SB)在材料动力学试验中广泛使用并被认为是能够有效的测试材料在高应变率下动态力学性能的实验HB装置、装置。典型的SP子也由加载驱动装置、弹(称撞击杆)压杆、速系统、、测动态应变测量及数据采集存其透 储系统组成,中压杆包括入射杆、射杆和吸收杆,装置示意图如图3所示。通过子弹以某一速度撞击入在杆中产生一个弹性波,性波向前传播通过试射杆,弹第1期rg杨吉祥等:光纤Bag光栅应变传感器在霍普金森压杆上的冲击试验研究36试样时,样发生变形,在入射杆中产生一个往回的反并射波,在透射杆中产生一个向前的透射波。通过对入射杆和透射杆上的应变测试,用弹性波理论就可以应测出试样的应力一应变曲线。 图3分离式霍普金森压杆试验装置不葸图 cFg3Teshmai igao eSBi. h cetdarm ft HPho m试验是在 10m的霍普金森压杆装置上进行的。子弹撞击入射杆产生冲击信号,射杆上的FG入B或者FG应变传感器和电阻应变计同时响应冲击弹性B其波在杆上引起的应变信号,中应变计的输出经宽带动态应变放大器放大,B的输出由高速解调仪解调,FG 应变放大器和解调仪的输出通过数字存储示波器记录。由于选择的应变计的频率响应能力足够,变放应大器的带宽足够宽,因此可以将应变计的响应输出看 作标准信号。为了在霍普金森压杆上产生不同上升时间的脉冲信试验J号,中利用了入射波整形技术 。入射波整形技术是撞在入射杆的撞击端粘上一个小直径的波形整形器,击杆整形器的塑性变形使传在碰撞加载过程中先撞击整形器,人到入射杆中的加载波波形发生变化。改变整形器的材可可料和尺寸,以调整输入波的形状。波形整形技术,以让试件有足够的时间达到应力均延长入射脉冲的上升沿,除此之外还可以平滑波形,除应力波的高频振荡 。匀,消 使入射杆上的脉冲信号的上本试验利用入射波整形技术,s0 ̄50。升时间的变化范围为2p-0 s .B22未封装的FG的冲击试验B将FG和电阻应变计粘贴于入射杆轴向上的同一经过不断调整脉冲信号上升时间,到了不同上位置,得B共升时间的FG和应变计的输出波形,对四只光纤光0个炮次的冲击,到的波形如图4所栅进行了约8得为FG示。波形图中,了便于与应变计的输出比较,B的 输出根据校准数据换算为应变值。O6OO500400三300020lOO 2 lt最兰 一O100 12 3 4 5 6 /tms/tms/tmsa0J-()上升时问为40tS()上升时问为10b1 ScC0()上升时间为2 S图4不同上升时间光栅和应变计的输出比较图i. oae iotu fh BGadsrnguea edfrn s ihtaFg4Cmprdwt upto eF n ti ag th ieetiettfrme. B23FG应变传感器的冲击试验B由于设计的FG应变传感器为片式结构,为将传兰 我感器粘贴于霍普金森压杆上,们专门另外加工了一制在B个压杆,杆上铣了一个比FG传感器面积稍大一点B0的平面。FG应变传感器用52快干胶粘贴在霍普金也森压杆上,在杆上的相应位置粘贴电阻应变计,比较m#s其 光纤传感器与应变计的输出,试验照片如图5所示。a()应变汁响应波形得B经过多炮次的冲击,到了不同上升时间的FG传感1 0 之0趟 00 /\7\ … ...V 一丑】0.0 —0 .—0 1‘● _bB传感器响应波形()FG B图6FG传感器与应变计的响应比较i. mprdwirsos fhFg6Coae t epneoh BGsnosadsanguerteF esr n ti ag(下转第8 5页) B图5FG传感器在霍普金森压杆上动态性能试验照片i. h xeimetlooopF esrnteSB Fg5Teeprna ht fBGsnoso h HP第1期唐帆等:多源随机激励系统的参数灵敏度分析58J.20,4(0)参数贡献度分析[]机械工程学报,08416871.1—1赵『5]张义民,具有直线与摇摆耦合运动的振动传递路薇.J.20,8径系统的参数灵敏度分析[]噪声与振动控制,082(38,26):5—36.[6]赵张义民.薇,具有随机路径的振动传递路径系统的随J.20,82:9—1116机响应分析[]振动与冲击,092()90,1.[张随机振动的虚拟激励法[.北京:7]林家浩,亚辉.M]科学20.出版社,04『8]周基于虚拟激励法的汽车平顺性仿真[.长春:密.D]吉20,.林大学,084[M]航9]胡海岩.机械振动与冲击[.北京:空工业出版20.社,02 [01]VtrJee .Maicllsprisn yrxasntWr uotnaaoetxacu eao dtl pnisoJ.SA ei931()39w, f]IMRve17,52:5.1]庄表中.[1M]北京:结构随机振动[.19.国防工业出版社,951]曹立文.于道路友好性的货车平顺性研究[.哈尔[2基D]哈尔滨工业大学,010.滨:20,7 1]汽M]北机20:[3余志生.车理论[.京:械工业出版社,0473.10—21 4结 论本文给出了随机激励下响应均方根的参数灵敏度并 表达式,将其应用于实际汽车工程中的平顺性优化,该算例表明当系统路径参数较多时,方法能迅速地选择关键参数,大大简化随机振动的优化设计过程,优化 效果明显。参考文献i ,ShRirtntssotruha sarniasnoo[1]KmSig .Vbao rnmii hog niltoedb otossmtoen sehy[]orao onmdl ycniuu yt erJ.JunlfSudn irtn20,4()95—5.iadVbao,01285:293 ig KmSEaiao ftiesnliaoimuio bt[2]SnhR,i .xmntno l—dmniavrinsltonasrsndhi creainoodaitoioai meue a terorlto t sun rdainvrabodfqec agr.ora on n ooe ra eunyrneJ【JunlfSudaditn20,6()49—5.roVbai,03223:145 ubk ZN ,HqSU.Apiao foe[3]DbaaKR,WEGFJa cipltno insahagtetn sn h ehqu frse ahpt tre stiguigtetcnieo tanfrptnlss1AEPpr2042aayi J.S ae,03一叭一10.4李[]张义民,闻邦椿,基于灵敏度的振动传递路径的鹤,等.上(接第6 3页)图所示为主频是4 H器的响应波形,6B3kz的FG传感 器与应变计的响应波形图。24试验结果.由于我们的霍普金森压杆直径较大( ̄0q10mm),不易产生更快上升时间的脉冲信号,因此未能在更高频率下对传感器的动态性能进行试验。通过对图4和图6的波形分析可以得出: 1()从图4中可以看出,BFG和应变计的响应波FG形形状和上升时问完全一致,B可以对上升时问为2 s信 0的脉冲信号进行响应,号未产生延迟或畸变。2()图6所示的波形为在霍普金森压杆产生的脉0FG光纤传感器冲上升时问约为2 £的三角波时,B 的响应与电阻应变计响应的比较。从图中可以看出,BFG光纤传感器与杆上应变计的响应波形形状和上升通F 时间完全一致,过对这两个信号进行FT分析发现,3k。这说明FG光纤传感器两个信号的主频均为4 HzB未能够对这种频率较高的信号正确响应,产生延迟或 畸变。3()从图4巾FG在封装前的裸光栅的响应波形BB和图6中封装后的FG应变传感器的响应波形可以看封B 出,装材料并没有对FG的动态响应特性造成影响,0二者都可以对上升时问为2 s的脉冲信号进行正确响应,B碳纤维复合材料对FG进行了很好的保护,更适合于高速冲击环境下的混凝土结构内部的动态应变 测量。3结论BB本次试验利用FG和用复合材料封装的FG应变传感器在霍普金森压杆上进行了多炮次的高速冲击通封B试验,过试验可以得知,装前后没有改变FG的传且设计的FG传感器的瞬态响应上升时间小感特性,B0,可于2 s具有良好的动态响应特性,以用于工程中 混凝土结构内高速冲击下的动态应变测试。参考文献1[]李晓军,李张殿臣,清献.常规武器破坏效应与工程防护技M]术[.洛阳:20.总参工程兵科研三所,01 2于永森,[]申人升,等张金,.薄壁应变筒式光纤光栅压力J.光电子?激光,0811)传感器的研究[]20,9(1:434313—16.3黄陈伟民,[]赵廷超,尚廉,等.光纤传感器在混凝土结构内J.19,8()应力检测中的应用[]压电与声光,9616:99.34—394R[]王 勃.FP加筋混凝土梁的力学与自感知性能研究D]哈尔滨:[.20.哈尔滨工业大学,045[]李川,以馍,张等.赵永贵,光纤光栅:技术与传感应原理、M]北科20.用[.京:学出版社,056un ,en ,enMPeaa .Ebde bie[]KagKSCKnyRWhl ,t1meddfrrg rtgsnosnavne ooi aeaJ.i trsbaggan esri dacdcmpsemtil[] m—oi cec n ehooy20,117e37CopstsSineadTcnlg,016:39—18.7[]王晓燕.分离式霍普金森压杆实验端面摩擦效应研究[]长沙:D.20.国防科学技术大学,04 8许沈刘军,.10m HB应力均匀及[]李为民,金余,等 o mSPJ.振动与冲击,082恒应变率加载试验技术研究[]20,72)19—12(:23.
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