摘 要

大型金属结构的应力测试中环境温度的变化会对导致较大的测量误差，进而会造成大量财产甚至人身安全，因此对测量过程进行温度补偿研究具有十分重要的意义。本文旨在研究非恒温测试环境下电阻应变片和光纤光栅传感器的温度补偿原理及补偿效果，通过理论计算，有限元仿真及试验验证的方法得出在非恒温测试环境下光纤光栅传感器的温度补偿效果好于电阻应变片温度补偿效果。本文的主要工作如下：

首先，基于对该课题国内外研究现状分析的基础上，对传感器的定义和种类以及传感器的特性进行了阐述，在这个基础上分析了电阻应变片和光纤光栅传感器的工作原理、组成、温度补偿原理以及电阻应变片和光纤光栅传感器受温度影响的原因。

其次，采用理论研究方法对等强度梁应变理论值进行计算，并利用ANSYS软件对等强度梁进行建模仿真研究，分析其在恒温条件下施加固定载荷的应力应变情况，得出等强度梁在恒温条件下应力应变的理论值，为验证实验测试方案的正确性提供对比分析的依据。

最后，建立等强度梁应力应变测试温度补偿研究实验平台，分别对电阻应变片及光纤光栅传感器在恒温及变温条件下的应力应变情况进行测试，通过将恒温条件下测得的实验数据与理论值进行对比分析，验证了实验的正确性。在此基础上对恒温及变温条件下的四组实验数据进行对比分析，得出电阻应变片受温度变化影响较大，在变温环境下无法实现温度补偿，而光纤光栅传感器在两种工作条件下所测结果与实际值基本吻合，受温度变化影响不大。

关键词：电阻应变片传感器；光纤光栅传感器；温度补偿；ANSYS

Abstract

The change of ambient temperature in the stress test of large-scale metal structures will lead to larger measurement errors, which will result in a lot of property and even personal safety. Therefore, it is of great significance to carry out temperature compensation research on the measurement process. The purpose of this paper is to study the temperature compensation principle and compensation effect of resistance strain gage and fiber grating sensor in non-isothermal test environment. Through theoretical calculation, finite element simulation and experimental verification method, the temperature compensation of fiber grating sensor under non-isothermal test environment is obtained. The effect is better than the resistance strain gauge temperature compensation effect. The main work of this article is as follows:

Firstly, based on the analysis of the research status of the subject at home and abroad, the definitions and types of sensors and the characteristics of sensors are described. Based on this, the composition, working principle and temperature of resistance strain gage and fiber grating sensors are analyzed in detail. The principle of compensation and the reasons for the influence of temperature on the strain gage and fiber grating sensors.

Secondly, the theoretical research methods are used to calculate the theoretical values ​​of the equal strength beam strain, and using the ANSYS software to model and simulate the equal strength beam, analyze the stress and strain of the fixed load under constant temperature conditions, and obtain the equal strength beam. The theoretical values ​​of stress and strain under constant temperature conditions provide the basis for comparative analysis to verify the correctness of the experimental test scheme.

Finally, an experimental platform for the temperature compensation of stress-strain testing for equal-strength beams was established. The stress-strain conditions of the resistance strain-gauge and fiber-optic-grating sensors under constant temperature and variable temperature conditions were tested, and the experimental data and theoretical values ​​measured under constant temperature conditions were obtained. A comparative analysis was performed to verify the correctness of the experiment. Based on this, the four groups of experimental data under constant temperature and variable temperature conditions were compared and analyzed. It was concluded that the resistance strain gauges were greatly affected by temperature changes and that temperature compensation could not be achieved under variable temperature conditions, while the FBG sensors were under two working conditions. The measured results are basically consistent with the actual values and are not affected by the temperature changes.

Keywords: resistance strain gauge sensor; fiber grating sensor; temperature compensation; ANSYS

目录

第一章 绪论 1

1.1论文研究背景 1

1.2论文研究的目的及意义 3

1.3国内外研究现状 3

1.3.1国内研究现状 3

1.3.2国外研究现状 4

1.4论文主要研究内容 5

第2章 电阻应变片及光纤传感器温度补偿方法研究 7

2.1传感器的定义及种类 7

2.2传感器特性 9

2.3传感器受温度影响原因 10

2.4电阻应变片 10

2.4.1电阻应变片的组成 10

2.4.2电阻应变片的工作原理 11

2.4.3电阻应变片的温度补偿原理分析 11

2.5光纤光栅传感器 12

2.5.1光纤光栅传感器的组成 12

2.5.2光纤光栅传感器的工作原理 14

2.5.3光纤光栅传感器的温度补偿原理分析 15

2.6本章小结 16

第3章 恒温环境下等强度梁应变理论计算及有限元仿真 17

3.1等强度梁的计算 17

3.2 SolidWorks建立等强度梁模型 18

3.3等强度梁ANSYS模拟仿真分析 19

3.4仿真结果分析 22

3.5本章小结 22

第4章 非恒温测试环境下应变传感器温度补偿实验研究 23

4.1实验目的 23

4.2实验方案 23

4.2.1实验用具 23

4.2.2仪器架设以及传感器的布置 23

4.3实验设备介绍 25

4.3.1 TMR-7200应变仪 25

4.3.2 sm130光纤光栅解调仪 26

4.4实验过程 27

4.5实验分析 29

4.5.1 电阻应变片实验数据分析 29

4.5.2光纤光栅传感器实验数据分析 29

4.6电阻应变片与光纤光栅传感器实验分析对比 30

4.7实验结论 31

4.8本章小结 31

第5章 论文研究的经济性与环保性分析 32

第6章 总结与展望 34

6.1总结 34

6.2展望 34

参考文献 36

致 谢 37

第一章 绪论

1.1 论文研究背景

一百多年以前，在英国皇家学会的一个播放室，著名的物理研究学家丁达尔打开了安放在装满清水木桶上的灯光。灯光照射在木桶的小孔中，顺着水流从木桶侧边的小孔中流出。该现象令人们叹为观止，原来光线也可以不通过直线传播的。在随后的研究中丁达尔通过反复的探索与研究后，将光曲线传播的奥秘予以了揭示，光波导理论也因此被提出，随后一大批研究学者开始针对光曲线传播展开全面研究与探索，实质上便是对光的全反射原理展开探索。该原理对一百多年后的生活带来了极大的影响。当时针对光线波理论以及相关应用技术得到了发展，但是发展进程相对较慢，其中阻碍其发展的最大因素便是光纤损耗相对较大。1966年研究学者高锟博士通过大量研究与分析后于1966推出其著作《光频介质纤维表面波导》，其中明确地提出了通过优化原有工艺可以将石英光纤的损耗降低，而且能够制造损耗为20db/km的光纤，也正是他的研究结论将人类社会推向了信息化社会。博士还曾经提出，我们对其的了解仅仅处于表面，具体的用处仍然需要后期不断深入的研究，光纤应该是这个世纪上无可替代的信息交通技术了，其寿命也不会少于一般的光纤。当该研究结论被提出后，大量的研究学者开始针对光纤技术展开全面而深入的研究，并以此为基础而展开。自美国当时研发出第一根损耗为20db/km的光纤后，人类正式走入了信息化社会。随后大量研究学者针对光纤展开研究，光纤随后的发挥逐渐趋于经济、轻巧、传输效率高、传输速度快的方向发展。研究学者高锟也在随后被称之为个世纪。

随着光纤领域的研究结论越来越多，其应用范围的拓展，人们还发现光纤在传输期间极容易遭受到外界带来的影响，例如温度的影响、应力的影响等等，光纤一旦遭受影响其传输速度、频率等便会发生变化。在研究学者们的研究后得出了光信号在传输期间不会受到电磁环境造成的干扰，并且光纤原材料由于具备信息储量大、灵敏等优点，很多研究学者都提出以后光纤会将很多传感技术替代，成为传感领域发展中的主要传感技术。光纤传感设备也趋于多样化，其中众多光器件中，光纤光栅是较为典型，应用最为广泛的器件之一。光纤光栅的出现促使传感网络的实现成为了可能，同时也把光纤技术的应用范围拓宽开来，光纤光栅由于其较高的性价比，被得到了广泛的应用，尤其是通信领域以及传感领域上。其中光纤光栅传感设备除了性价比优势以外，还具备很多优势，例如不会受到电磁环境干扰、灵敏程度相对较高等，一般情况下传感单位处于纳米级别时，传感参量变换将会呈现出线性关系，并且能够实现多点测量，实现分布式传感。但它对温度、应力这两项参数较为敏感，因此可以展开直接测量。其中与温度以及应力参数相关的压力、电流等参数也可能实现间接性测量。

虽然在传感领域发展上，光纤光栅的优势很多，并且得到了广泛应用，可它仍然是较为脆弱的玻璃丝，这是它最大的缺点，因此其具有易碎、易折断等缺点。并且光栅处于恶劣的环境下，它的灵敏度优势将会失去，而且抗干扰能力也会随之下降。为此在对光纤光栅进行制备的情况下一般需要对其的保护层去除，将它的机械强度弱化后，在应用上才能够更显其优势。为了更好地将光纤光栅的传感优势发挥出来，可以通过对其进行封装保护，针对光纤光栅进行保护的方式主要有三种也是当前应用较为普遍的三种，第一种为多分子涂覆层封装保护方式，第二种为贴片式封装保护方式，第三种为管材灌封保护方式。其中裸光栅光纤在紫外光的照射下，其表面会形成多分子聚合物，能够对光纤光栅起到一定的保护作用。但是在涂层保护下也有着其的不足之处，那就是会导致光纤光栅容易老化在或者是产生位移等；贴片式封装保护方式可以理解为通过高温的胶布将基本材料贴着，在此环境下能够起到增敏效果，在一定程度上对光纤光栅起到保护作用，其最大的应用优势便是不会对光纤特性予以改变，但是封装保护的难度相对较大；金属化封装是近些年来通过研究得出的新兴光纤光栅封装保护方式，主要通过物理方法或者是化学方法，在光栅表面形成一层较为均匀、较为细密的金属膜，最大的应有优势便是耐高温并且比较牢固。

电阻应变传感器是一种将应变转化为电阻变化的传感器，但是应变片材料的电阻一般都受到温度的影响，温度引起的阻值变化叫温漂^[7]，这种由于物质内部热被激发所引起的热输出通常是导致灵敏度下降的主要因素，因而在应变测量中都要采取相应的温度补偿措施^[5]。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：