光纤光栅动态应变测试实验

实验二 光纤光栅动态应变测试实验

一、实验目的

当简支梁受外载荷情况下，学会用光纤光栅传感器测量其表面某点的应变，加深对光纤光栅动态应变测试的理解。在实验过程中采集数据，分析并处理数据，并做时域分析。

二、实验设备

WS-ZHT2型振动综合教学实验台

光纤光栅解调仪

光纤光栅焊接机

光纤布拉格光栅（FBG ）

三、实验原理

在材料力学中，由梁弯曲变形的基本公式得：

z

y =I M σ （1） 矩形截面，惯性矩

3z b h I =12

（2） 由胡克定律可知：

=E σε （3）

注：45号钢弹性模量E=209Gpa

应力应变引起光栅布拉格波长漂移可以由下式给予描述：

()Δεk ΔεPe 1λεΔλεB B =-= （4）

式中，Pe 为光纤的弹光系数，εk 为应变ε引起的波长变化的灵敏度系数。对于带有中心反射波长B λ， 的典型的石英光纤，轴向应变ε和波长漂移B Δλ有如下关系：

B Δλ/B λ=0.78ε （5）

说明：1nm=103

pm 1pm ≈1με

四、实验内容与步骤

1 测量出简支梁的长宽高以及所测点在的位置，根据公式（1）、（2）、（3），给出在激励F 作用下所测点对应的应变该变量ε，即F 与ε的关系。

2 在静载荷下采集波长，求得波长的平均值0λ

3 在同一频率下分别施加F1、F2、F3，分别采集所对应的波长13λλλ、2、，求出波长变化量13λλλ∆∆∆、2、（0=-λλλ∆）

，然后分别代入（5）式中计算得应变13εεε、2、 3 每一实验小组分别选三个频率，分别在每个频率下施加F1、F2、F3，通过采样、计算后得到应变13εεε、2、。

4 绘出时域上的应变图，进行频谱分析，观察频谱图中频率大小是否与实验中所给频率大小相同，分析时域图中应变变化与力的变化的关系，从而判断实验与理论是否吻合。

五、实验报告要求

1 从理论上推导外载荷F 与应变ε之间的关系

2 先在静态下求出波长平均值0λ，通过加外载荷实验得到的波长λ，算出变化量λ∆，再转化成应变ε，用EXCEL 或MATLAB 绘制时域图，并分析图形走势

3 频谱分析，试着从频谱上观察振动频率，振动幅值。

六、思考题

比较一下理论与实际应变的差异，思考一下产生这些差异的因素有哪些。