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脈動(dòng)光線新蟲 (初入文壇)
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[交流]
利用分布式光纖傳感技術(shù)測(cè)量葉片彈簧
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在交通運(yùn)輸行業(yè)，葉片彈簧在鐵路車輛、貨車、拖掛車都有著廣泛應(yīng)用。這些組件因其性價(jià)比高和具有在較大面積上分散載荷的能力而在商用車輛中廣泛采用。雖然黏貼在彈簧上的金屬應(yīng)變片能夠提供在各個(gè)離散點(diǎn)的應(yīng)變信息，但利用光纖傳感技術(shù)允許用戶在整個(gè)葉片彈簧全長(zhǎng)上以極高空間分辨率測(cè)量應(yīng)變分布。即使在一個(gè)簡(jiǎn)單的葉片彈簧上，沿其長(zhǎng)度方向的應(yīng)變也不是均勻的，分布式的應(yīng)變測(cè)量提供了更好地表征載荷對(duì)彈簧作用的方法。此外，光纖傳感器還能輕松應(yīng)對(duì)懸掛系統(tǒng)中常見的循環(huán)加載條件，而這正是金屬應(yīng)變片常常難以勝任的。測(cè)試設(shè)置 實(shí)驗(yàn)中，抗微彎聚酰亞胺涂層光纖沿著一個(gè)16英寸葉片彈簧的凹面布置，往復(fù)布置一次，形成兩條兩次路徑（見圖1中的藍(lán)色線）。除了光纖外，還在兩條光纖路徑之間粘貼了三個(gè)金屬應(yīng)變片。為了確保光纖和金屬應(yīng)變片能夠最佳地傳遞應(yīng)變，彈簧沿光纖路徑及金屬應(yīng)變片位置進(jìn)行了打磨，確保光纖和應(yīng)變?cè)诎惭b時(shí)候直接貼附在金屬上。 圖1. 藍(lán)線表示傳感光纖的路徑，虛線表示未粘貼的區(qū)域，三個(gè)金屬應(yīng)變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 將彈簧翻轉(zhuǎn)到凸面向上位置，放在水泥地面上，對(duì)光纖數(shù)據(jù)和金屬應(yīng)變片進(jìn)行清零。如圖 2 所示，彈簧以 45 磅為增量加載至 180 磅，載荷位于彈簧中心。 圖2. 實(shí)驗(yàn)加載方式，用45磅杠鈴片逐級(jí)加載 光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)是使用 odisi 以 100 hz 的頻率采集的，其傳感器間距均為5.2毫米。應(yīng)變采集儀以 30 hz 的頻率同時(shí)記錄所有金屬應(yīng)變片的數(shù)據(jù)。兩個(gè)系統(tǒng)都設(shè)置為在測(cè)試期間采集數(shù)據(jù)，包括在板簧上添加和移除砝碼時(shí)。 測(cè)試結(jié)果 1.單點(diǎn)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果 繪制試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的記錄曲線可以提供有關(guān)試驗(yàn)如何進(jìn)行以及何時(shí)施加負(fù)載的有用信息。整個(gè)試驗(yàn)過程中光纖數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)位置金屬應(yīng)變片的數(shù)據(jù)相對(duì)比，可以看到兩者在各時(shí)間點(diǎn)上的應(yīng)變數(shù)據(jù)相互吻合。在試驗(yàn)開始約20秒后，首先向彈簧添加了第一個(gè)45磅重量，導(dǎo)致應(yīng)變測(cè)量出現(xiàn)階躍并穩(wěn)定下來。后續(xù)的負(fù)載增加也相應(yīng)產(chǎn)生類似的應(yīng)變數(shù)據(jù)階躍。在90秒時(shí)，對(duì)最終的45磅重量進(jìn)行了重新定位和穩(wěn)定操作，這一過程也被數(shù)據(jù)忠實(shí)記錄了下來，表現(xiàn)為此時(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)的波動(dòng)。 圖 3. 單點(diǎn)光纖數(shù)據(jù)與相應(yīng)位置金屬應(yīng)變片 (sg) 的比較。異常凸起尖峰是由于將砝碼加到彈簧上的物理過程造成的 2.分布式應(yīng)變測(cè)量結(jié)果 光纖傳感可沿板簧長(zhǎng)度進(jìn)行高分辨率分布式應(yīng)變測(cè)量。圖 4 顯示了 135lb 負(fù)載情況下纖維長(zhǎng)度上的應(yīng)變圖。整個(gè)彈簧寬度上的應(yīng)變變化不大，因此光纖路由的對(duì)稱性（沿彈簧凹面向下和向后）導(dǎo)致應(yīng)變曲線圍繞 0.9 米標(biāo)記對(duì)稱。由于使用的傳感器間距長(zhǎng)度較�。�5.2毫米），因此可以看到下面標(biāo)為 a 至 f 的板簧應(yīng)變曲線的非線性。位于 b 和 e 部分中間的螺栓可以清楚地識(shí)別為加固區(qū)域，光纖沿線這些位置的應(yīng)變驟降就是證明。沿著纖維的每個(gè)粘合部分測(cè)量的應(yīng)變熱圖（圖 5）提供了測(cè)量應(yīng)變的另一種表示方法。圖 6 顯示了從 0 磅到 180 磅的重量添加過程中，單根纖維沿彈簧的應(yīng)變?cè)茍D。 圖4 135 磅載荷作用下光纖長(zhǎng)度方向的應(yīng)變曲線。垂直虛線表示光纖彎曲并沿彈簧返回的位置。剖面圖的 a - f 部分與下圖 5 中的部分相對(duì)應(yīng)。 圖 5：135 磅載荷情況下板簧各部分的應(yīng)變分布圖 圖 6：當(dāng)載荷從 0-180 磅增加時(shí)，板簧單根光纖上的應(yīng)變。標(biāo)注為 "f"、"e "和 "d "的位置與圖 5 中板簧上相同的標(biāo)注位置相對(duì)應(yīng) 3.光纖測(cè)試數(shù)據(jù)域應(yīng)變片測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比 圖7展示了沿光纖在所有載荷狀態(tài)下分布的應(yīng)變，同時(shí)也標(biāo)出了金屬應(yīng)變片在同一位置的測(cè)量結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示了單點(diǎn)傳感的局限性，而分布式光纖傳感技術(shù)使用戶能夠獲得葉片彈簧在整個(gè)試驗(yàn)期間全面的應(yīng)變分布圖。盡管在六個(gè)共定位點(diǎn)上光纖傳感器與金屬應(yīng)變片的測(cè)量結(jié)果一致，但光纖傳感器提供的整個(gè)彈簧長(zhǎng)度上的事件圖像更為完整詳盡。 總結(jié) 本測(cè)試筆記驗(yàn)證了光纖傳感器測(cè)量葉片彈簧全長(zhǎng)應(yīng)變分布的能力。在本次試驗(yàn)中，使用odisi系統(tǒng)能夠精確定位并描述應(yīng)變事件的空間和時(shí)間特征。通過odisi收集的應(yīng)變分布數(shù)據(jù)表明彈簧上的應(yīng)變梯度是非線性的，且在其寬度方向上變化不大。雖然光纖傳感器和金屬應(yīng)變片在相近定位點(diǎn)上的測(cè)量結(jié)果相符，但光纖傳感器能夠提供更全面的彈簧全長(zhǎng)范圍內(nèi)的應(yīng)變事件情況。odisi系統(tǒng)的高采集速率和高空間分辨率使其非常適合應(yīng)用于應(yīng)變隨時(shí)間和空間變化的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。 |
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