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脉动光线

新虫 (初入文坛)

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专业: 通信理论与系统

[交流] 利用分布式光纤传感技术测量叶片弹簧

在交通运输行业，叶片弹簧在铁路车辆、货车、拖挂车都有着广泛应用。这些组件因其性价比高和具有在较大面积上分散载荷的能力而在商用车辆中广泛采用。虽然黏贴在弹簧上的金属应变片能够提供在各个离散点的应变信息，但利用光纤传感技术允许用户在整个叶片弹簧全长上以极高空间分辨率测量应变分布。即使在一个简单的叶片弹簧上，沿其长度方向的应变也不是均匀的，分布式的应变测量提供了更好地表征载荷对弹簧作用的方法。此外，光纤传感器还能轻松应对悬挂系统中常见的循环加载条件，而这正是金属应变片常常难以胜任的。测试设置
实验中，抗微弯聚酰亚胺涂层光纤沿着一个16英寸叶片弹簧的凹面布置，往复布置一次，形成两条两次路径（见图1中的蓝色线）。除了光纤外，还在两条光纤路径之间粘贴了三个金属应变片。为了确保光纤和金属应变片能够最佳地传递应变，弹簧沿光纤路径及金属应变片位置进行了打磨，确保光纤和应变在安装时候直接贴附在金属上。
图1. 蓝线表示传感光纤的路径，虚线表示未粘贴的区域，三个金属应变片的位置用橙色表示。https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/iah9WibOJPicVcC8CxVCNhVicOw3TmjS3HY7a6Mo0NvicRCMuOIbQjJxRTiaibKd7U4YoJ0Az1n9RLSLCR4l4WNtbINuw/640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1

将弹簧翻转到凸面向上位置，放在水泥地面上，对光纤数据和金属应变片进行清零。如图 2 所示，弹簧以 45 磅为增量加载至 180 磅，载荷位于弹簧中心。

图2. 实验加载方式，用45磅杠铃片逐级加载
光纤应变数据是使用 odisi 以 100 hz 的频率采集的，其传感器间距均为5.2毫米。应变采集仪以 30 hz 的频率同时记录所有金属应变片的数据。两个系统都设置为在测试期间采集数据，包括在板簧上添加和移除砝码时。
测试结果
1.单点应变测试结果
绘制试验持续时间的记录曲线可以提供有关试验如何进行以及何时施加负载的有用信息。整个试验过程中光纤数据与对应位置金属应变片的数据相对比，可以看到两者在各时间点上的应变数据相互吻合。在试验开始约20秒后，首先向弹簧添加了第一个45磅重量，导致应变测量出现阶跃并稳定下来。后续的负载增加也相应产生类似的应变数据阶跃。在90秒时，对最终的45磅重量进行了重新定位和稳定操作，这一过程也被数据忠实记录了下来，表现为此时应变数据的波动。

图 3. 单点光纤数据与相应位置金属应变片 (sg) 的比较。异常凸起尖峰是由于将砝码加到弹簧上的物理过程造成的
2.分布式应变测量结果
光纤传感可沿板簧长度进行高分辨率分布式应变测量。图 4 显示了 135lb 负载情况下纤维长度上的应变图。整个弹簧宽度上的应变变化不大，因此光纤路由的对称性（沿弹簧凹面向下和向后）导致应变曲线围绕 0.9 米标记对称。由于使用的传感器间距长度较小（5.2毫米），因此可以看到下面标为 a 至 f 的板簧应变曲线的非线性。位于 b 和 e 部分中间的螺栓可以清楚地识别为加固区域，光纤沿线这些位置的应变骤降就是证明。沿着纤维的每个粘合部分测量的应变热图（图 5）提供了测量应变的另一种表示方法。图 6 显示了从 0 磅到 180 磅的重量添加过程中，单根纤维沿弹簧的应变云图。

图4 135 磅载荷作用下光纤长度方向的应变曲线。垂直虚线表示光纤弯曲并沿弹簧返回的位置。剖面图的 a - f 部分与下图 5 中的部分相对应。

图 5：135 磅载荷情况下板簧各部分的应变分布图

图 6：当载荷从 0-180 磅增加时，板簧单根光纤上的应变。标注为 "f"、"e "和 "d "的位置与图 5 中板簧上相同的标注位置相对应

3.光纤测试数据域应变片测试数据对比
图7展示了沿光纤在所有载荷状态下分布的应变，同时也标出了金属应变片在同一位置的测量结果。数据显示了单点传感的局限性，而分布式光纤传感技术使用户能够获得叶片弹簧在整个试验期间全面的应变分布图。尽管在六个共定位点上光纤传感器与金属应变片的测量结果一致，但光纤传感器提供的整个弹簧长度上的事件图像更为完整详尽。

总结
本测试笔记验证了光纤传感器测量叶片弹簧全长应变分布的能力。在本次试验中，使用odisi系统能够精确定位并描述应变事件的空间和时间特征。通过odisi收集的应变分布数据表明弹簧上的应变梯度是非线性的，且在其宽度方向上变化不大。虽然光纤传感器和金属应变片在相近定位点上的测量结果相符，但光纤传感器能够提供更全面的弹簧全长范围内的应变事件情况。odisi系统的高采集速率和高空间分辨率使其非常适合应用于应变随时间和空间变化的动态场景。

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