土体全应力光纤传感器设计与性能研究

论文摘要

岩土工程领域中,一些大型工程和重大基础设施工程,在施工过程中实时对土体内部进行健康监测与诊断是一项必不可少的项目。目前,工程上大多采用的是土压力传感器进行监测,现有研究中可测试一点正应力和切应力的全应力传感器还尚未成熟。本文试研制出一种可测试土体内一点全应力状态的光纤型传感器,采用ANSYS数值分析和力学试验验证该传感器制作的可行性与可靠性,该研究对岩土工程监测技术具有重要意义,其研究内容如下。首先,根据传感器测试要求,设计传感器传感原理,本传感器共测试6个应力值分别为3个正应力和3个切应力值,与此同时该传感器要考虑温度和应变交叉敏感问题,将温度引起的应变剔除掉,因此将传感器设置为内部为空心的正方体结构,在此处放置一根不受应力影响的光纤。根据传感原理,利用ANSYS有限元数值分析软件,进行模型尺寸设计与优化,依此建立模型后进行光纤布设方向规划,封装材料与光纤间应变传递规律研究以及模拟一维及全应力传感器在受力状态下应变变形规律研究。经规划,传感器应变测试点应不少于7个,且布设方向均不同,一维传感器经验证,相关理论均正确。在一维传感器研究基础上,研究全应力传感器内部变形规律,发现光纤的埋入对树脂基体影响很小,光纤之间相互无影响。全应力传感器在30°C温度下,光纤自身应变值很小,树脂基体应变值比较大,因此传感器的使用温度不宜过高,使用环境温度变化范围不宜过大。在本实验中,实测作用于传感器上的附加土压力与真实土压力的比值为1.347。其次,进行传感器封装工艺研究。根据封装设计准则对封装材料进行选择,经过一系列力学性能测试和检测机构的标准化测试,并将其参数结果带入数值模拟分析中,材料参数较符合传感器的制作要求,最终确定出K-9761A、B型环氧树脂胶作为光纤的封装材料。最后,制作一维和全应力光纤传感器,通过一维传感器的制作与标定指导全应力传感器的制作与标定。通过一维传感器在油压和砂介质下的测试发现,传感器对压力的变化很敏感,线性度达99%以上。通过全应力光纤传感器在油压下的测试发现,光纤弯曲点过多,经改进后,可测得的应变值随压力变化较敏感,线性度可达99%以上。综上所述,本文全应力传感器的原理是正确的、设计方法是合理的、制作工艺是可行的。后续经过不断完善与改进,该种传感器在岩土工程监测领域具有广泛应用前景。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 变量注释表
• 1 绪论
•   1.1 问题提出
•   1.2 埋入式三维压力传感器研究现状
•   1.3 应变敏感材料光纤光栅研究现状
•   1.4 光纤光栅封装方式研究现状
•   1.5 光纤光栅封装材料研究现状
•   1.6 土压力传感器标定方法研究现状
•   1.7 研究目的、内容及意义
•   1.8 研究方法和技术路线
• 2 全应力光纤传感器变形规律研究
•   2.1 全应力光纤传感器传感原理分析
•   2.2 全应力光纤传感器数值模拟
•   2.3 本章小结
• 3 全应力光纤传感器封装工艺研究
•   3.1 封装设计准则
•   3.2 封装材料的选择
•   3.3 封装材料的测试
•   3.4 K-9761最佳使用条件
•   3.5 K-9761各项力学参数
•   3.6 K-9761粘结性能测试
•   3.7 本章小结
• 4 全应力光纤传感器的制作与标定
•   4.1 模具的设计与制做
•   4.2 封装操作
•   4.3 一维传感器测试
•   4.4 全应力光纤传感器测试
•   4.5 本章小结
• 5 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张宇

导师: 杨维好,黄家会

关键词: 土体,全应力光纤传感器,制作与标定,传递规律,数值模拟,物理试验

来源: 中国矿业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 中国矿业大学

分类号: TU43

总页数: 132

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