旨在解决生物活性骨骼应变检测难题,研究了激光散斑干涉应变检测原理及关键技术。通过分析影响生物活性骨骼散斑干涉稳定成像的因素,提出了一种基于磷酸盐缓冲溶液(PBS)介质环境下激光散斑干涉成像的新方法。采用散斑图像局部空间衬比度算法,对空气介质和液体介质激光散斑的稳定性进行了对比及评估。同时,为了验证所提出应变检测方法的有效性,设计了实验装置,并采用生物活性骨骼样本对所提出方法进行了应变检测实验,验证了所提出方法的有效性。

There may be more than 2% strain of carbon fiber composite material on solid rocket motor (SRM) in some extreme cases. A surface-bonded silica fiber Bragg grating (FBG) strain sensor coated by polymer is designed to detect the large strain of composite material. The strain transfer relation of the FBG large strain sensor is deduced, and the strain transfer mechanism is verified by finite element simulation. To calibrate the sensors, the tensile test is done by using the carbon fiber composite plate specimen attached to the designed strain sensor. The results show that the designed sensor can detect the strain more than 3%, the strain sensitivity is 0.0762 pm/με, the resolution is 13.13με, and the fitting degree of the wavelength-strain curve fitting function is 0.9988. The accuracy and linearity of the sensor can meet the engineering requirements.

绝缘衬底上的硅材料制备的光学微环谐振腔结构具有高灵敏度、 结构尺寸小和极低模式体积等特性, 被广泛应用到光信息传递、 惯性导航领域, 但极少被应用到力学信号的测试, 为此, 研究了一种基于硅基光学微环谐振腔结构的悬臂梁式应力/应变敏感计, 利用微环谐振腔环形波导径向形变量作为感应应力的中间物理量, 在外界应力作用下, 环形波导的半径将发生改变, 使结构的光学谐振参数产生变化, 从而使光学微环谐振腔谐振谱线发生明显红移, 体现出良好的应力/应变敏感特性; 通过设计双环级联光学微腔, 并采用MEMS光刻、 ICP腐蚀工艺制备了嵌入式光学微腔应变计结构, 结合理论计算了悬臂梁结构的应力应变敏感特性, 经仿真及实验得到, 应变计结构的应力/应变灵敏度分别为0.185 pm·kPa-1, 18.04 pm·microstrain-1, 与单环微腔结构相比, 线性量程增加了近50.3%, 应力灵敏度提高了近10.6%, 初步验证了嵌入式光学微腔结构进行高灵敏度应力/应变检测的可行性, 有望实现新型光学力敏传感器件的微型化、 集成化。

剥层法是重构光纤Bragg光栅(FBG)参数的常用方法，利用剥层法可以解调FBG非均匀应变。常规剥层法获得的FBG复耦合系数存在误差，为提高非均匀应变解调精度，提出基于剥层法的复耦合系数幅值修正改进方法。新方法在剥层求解当前层复耦合系数后，保留耦合系数相位，对耦合系数幅值进行修正，构成新的复耦合系数用于下一层反射谱的剥层求解。给出了改进算法求解非均匀应变的详细步骤和过程，并进行了仿真实验研究。利用传输矩阵法模拟仿真无应变、应变线性增大、应变线性减小以及二次曲线应变下的FBG反射谱，分别使用常规方法和改进的方法对各反射谱进行应变解调。结果表明：改进的方法获得的应变结果与理论应变有更高的一致性；不同理论应变下，改进的方法获得应变最大误差均值约为原始方法的1/5，均方根误差的均值约为原始方法的1/7，改进的方法解调误差远小于原始方法。

采用贴附法将一根玻璃纤维增强塑料(GFRP)单芯应变传感光缆埋设于钢筋混凝土试件的中间部位, 对混凝土内部应变进行分布式测量。考虑在温度和外加应变的作用下, 光纤中的背向布里渊(Brillouin)散射光将发生频移, 使用光时域反射仪(OTDR)对反射光信号进行了分析。研究了混凝土凝固过程中应变的变化, 结果表明: 混凝土试件浇筑完成当天应变变化明显, 应变变化趋势与试件内部温度相似, 试件内部应变主要受水泥水化热的影响。试件凝固后, 通过外力作用使得混凝土试件在纵向中心轴上产生平均宽度为6 mm的裂缝。检测裂缝出现前后试件的应变变化, 发现裂缝出现后试件内部应变明显变大, 共发现3个应变峰值。通过应变峰值位置的分析, 可判断裂缝的出现位置与方向。实验显示, 利用背向Brillouin散射的分布式应变检测技术可较好地实现混凝土应变的分布式测量。

基于布里渊时域分析(BOTDA)对温度和应变的检测原理,构建了分布式光纤传感入侵定位系统。该系统只检测应变事件位置,不检测温度和应变绝对值,因此简化了BOTDA技术中复杂的频率检测方法。系统以脉冲光作为抽运光,反方向传输的连续光作为探测光。分析表明该入侵定位系统在抽运光产生的布里渊峰值频率小于连续光的频率时具有较高的灵敏度,存在一最佳频率偏移使探测灵敏度最高。当传感光纤所处温度改变时,可以通过调节抽运光频率使系统始终保持最佳的灵敏度。