Luận án tiến sĩ: Three dimensional strain measurement by a Bragg grating sensor subjected to axial and transverse load simultaneously
Luận án tiến sĩ đề xuất phương pháp đo biến dạng 3 chiều bằng cảm biến mạng Bragg. Nghiên cứu khi cảm biến chịu tải trọng trục và ngang đồng thời.
Stanford University
Mechanical Engineering
Luan An
Luận án tiến sĩ
Năm xuất bản
Số trang
499
Thời gian đọc
1 giờ 15 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
60 Point
Mục lục chi tiết
Tóm tắt nội dung
I.Đo Lường Biến Dạng 3D Bằng Cảm Biến Bragg Grating
Luận án này giải quyết một lỗ hổng quan trọng trong lĩnh vực đo lường biến dạng. Các phương pháp hiện có thường chưa thể thu nhận được các biến dạng phức tạp, đa hướng. Nghiên cứu giới thiệu một phương pháp mạnh mẽ sử dụng công nghệ cảm biến Bragg grating. Trọng tâm là đo lường đồng thời tải trọng trục và ngang. Công trình này giúp thúc đẩy đáng kể công nghệ cảm biến trong kỹ thuật cơ khí.
1.1. Nhu Cầu Đo Lường Biến Dạng Đa Chiều
Ngành công nghiệp hiện đại cần đo lường biến dạng đa chiều chính xác. Các cấu trúc thường chịu tải trọng phức tạp, yêu cầu đánh giá toàn diện. Biến dạng ba chiều là yếu tố then chốt cho giám sát sức khỏe cấu trúc (structural health monitoring) và đặc trưng vật liệu (material characterization).
1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Chính
Luận án thiết lập các mô hình toán học tiên tiến. Mục tiêu là dự đoán biến dạng theo ba chiều trực giao. Cụ thể bao gồm biến dạng trục và hai biến dạng ngang. Ứng dụng cho cảm biến Bragg grating đa tham số dưới tải trọng kết hợp.
1.3. Khắc Phục Hạn Chế Từ Công Trình Trước
Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào biến dạng trục. Luận án này mở rộng phạm vi nghiên cứu. Nó giải quyết sự kết hợp của cả ba thành phần biến dạng. Điều này cung cấp một cái nhìn toàn diện hơn về đo lường ứng suất.
II.Phát Triển Cảm Biến Bragg Grating Đa Tham Số
Nghiên cứu sử dụng cảm biến Bragg grating được tối ưu hóa. Các cảm biến này được tạo ra trong sợi quang đặc biệt. Thiết kế này cho phép phản hồi chi tiết với các loại tải trọng phức tạp. Đây là một bước tiến quan trọng trong ứng dụng quang học sợi (fiber optics) vào cảm biến.
2.1. Cấu Tạo Cảm Biến Sợi Quang Đặc Biệt
Cảm biến được chế tạo trong sợi quang duy trì phân cực (polarization maintaining fiber). Chúng tích hợp các phần tử tạo ứng suất dạng 'bow-tie'. Mỗi cảm biến có bốn đỉnh bước sóng Bragg riêng biệt. Hai đỉnh nằm quanh 1300 nm và hai đỉnh khác quanh 1550 nm.
2.2. Nguyên Lý Hoạt Động Của Cảm Biến
Các đỉnh bước sóng của cảm biến dịch chuyển khi có tác động bên ngoài. Tải trọng tác dụng hoặc thay đổi nhiệt độ đều gây ra sự dịch chuyển này. Đây là nguyên tắc cơ bản cho việc phát hiện biến dạng bằng cảm biến Bragg.
2.3. Dịch Chuyển Bước Sóng Là Yếu Tố Quyết Định
Sự thay đổi bước sóng từ trạng thái tham chiếu được gọi là dịch chuyển bước sóng (Δλ). Δλ là chìa khóa để dự đoán các biến dạng mà cảm biến phải chịu. Nó cung cấp dữ liệu đầu vào cần thiết cho việc hiệu chuẩn cảm biến (sensor calibration) và các mô hình toán học.
III.Mô Hình Toán Học Dự Đoán Biến Dạng Chính Xác
Để chuyển đổi dữ liệu dịch chuyển bước sóng thành thông tin biến dạng, luận án đã phát triển các mô hình toán học. Các mô hình này được điều chỉnh để xử lý cả hành vi tuyến tính và phi tuyến tính của cảm biến. Chúng là cốt lõi của phương pháp đo lường ba chiều này.
3.1. Các Loại Mô Hình Toán Học Được Thử Nghiệm
Hai loại mô hình chính đã được khảo sát. Mô hình tuyến tính giả định một mối quan hệ đơn giản giữa dịch chuyển bước sóng và tải trọng. Mô hình phi tuyến tính được phát triển để xử lý các điều kiện tổng quát hơn, do quan sát thấy mối quan hệ phi tuyến tính trong một số dữ liệu thực nghiệm.
3.2. Đánh Giá Độ Chính Xác Mô Hình
Các biến dạng được tính toán từ mô hình đã được so sánh với kết quả từ phân tích phần tử hữu hạn (FEM). Việc so sánh này giúp đánh giá độ chính xác của các mô hình toán học. Điều này đảm bảo tính tin cậy của phương pháp đo lường ứng suất.
3.3. Phân Tích Hành Vi Phi Tuyến Tính
Một số nhà nghiên cứu giả thuyết rằng sự phi tuyến tính giữa dịch chuyển bước sóng và tải trọng là do sự quay của trục quang học. Hiện tượng này xảy ra dưới tác động của tải trọng ngang lớn. Nghiên cứu đã xem xét các công trình liên quan và thực hiện các tính toán để hiểu rõ nguyên nhân tiềm ẩn của hành vi này.
IV.Kiểm Định Thực Nghiệm Phân Tích Phi Tuyến Tính
Luận án bao gồm các thử nghiệm nghiêm ngặt để kiểm tra phản ứng của cảm biến dưới nhiều điều kiện tải trọng. Dữ liệu thực nghiệm này là cơ sở không thể thiếu để xác thực các mô hình toán học đã phát triển. Đây là một phần quan trọng trong quá trình đặc trưng vật liệu.
4.1. Quy Trình Thử Nghiệm Toàn Diện
Các mẫu cảm biến đã trải qua một loạt các thử nghiệm toàn diện. Bao gồm thử nghiệm nhiệt, thử nghiệm tải trọng trục, thử nghiệm tải trọng ngang và thử nghiệm tải trọng kết hợp. Mối quan hệ giữa dịch chuyển bước sóng và kích thích bên ngoài đã được điều tra chi tiết.
4.2. So Sánh Dữ Liệu Thực Nghiệm Với FEM
Các biến dạng được tính toán từ mô hình đã được đối chiếu với kết quả thu được từ phân tích phần tử hữu hạn (FEM). Việc so sánh này đánh giá hiệu suất của mô hình. Nó cung cấp bằng chứng thực nghiệm về độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp.
4.3. Tìm Hiểu Nguồn Gốc Phi Tuyến Tính
Hành vi phi tuyến tính giữa dịch chuyển bước sóng và tải trọng tác dụng là một điểm được quan tâm đặc biệt. Luận án đã xem xét các nghiên cứu liên quan và thực hiện các tính toán. Mục đích là để làm rõ nguyên nhân tiềm ẩn của hiện tượng này, đóng góp vào sự hiểu biết về công nghệ cảm biến.
V.Ứng Dụng Tiềm Năng Cải Tiến Cảm Biến Bragg
Nghiên cứu này không chỉ dừng lại ở việc phát triển mô hình mà còn mở ra những hướng đi mới. Nó đề xuất các ứng dụng thực tế và cải tiến cho cảm biến sợi quang. Tiềm năng của cảm biến đa tham số là rất lớn trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật.
5.1. Tiềm Năng Đo Lường Biến Dạng Đa Trục
Nếu được nhúng đúng cách vào vật liệu, cảm biến này có khả năng đo biến dạng đa trục trong vật liệu. Dữ liệu dịch chuyển bước sóng cung cấp thông tin cần thiết. Điều này hứa hẹn các ứng dụng đột phá trong vật liệu thông minh (smart materials) và giám sát sức khỏe cấu trúc. Một ví dụ thử nghiệm để kiểm tra khả năng này đã được xây dựng và các quy trình tính toán liên quan đã được thảo luận.
5.2. Đề Xuất Cải Tiến Hình Học Cảm Biến
Để cải thiện khả năng xác định biến dạng ngang của cảm biến, luận án đã đưa ra đề xuất. Các hình học mặt cắt ngang khác nhau cho cảm biến sợi quang đã được gợi ý. Mục tiêu là tối ưu hóa phản ứng và độ nhạy của cảm biến.
5.3. Định Hướng Nghiên Cứu Trong Tương Lai
Nghiên cứu này đặt nền tảng vững chắc cho các công trình tiếp theo. Các lĩnh vực cần cải thiện và ứng dụng mới đã được xác định. Việc tiếp tục phát triển sẽ nâng cao hơn nữa hiệu quả của công nghệ cảm biến Bragg trong đo lường biến dạng 3D.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (499 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộTHREE DIMENSIONAL STRAIN MEASUREMENT BY A BRAGG GRATING SENSOR SUBJECTED TO AXIAL AND TRANSVERSE LOAD SIMULTANEOUSLY A DISSERTATION SUBMITTED TO THE DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING AND THE COMMITTEE ON GRADUATE STUDIES OF STANFORD UNIVERSITY IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY Tadamichi Mawatari November 2006 UMI Number: 3242591 Copyright 2007 by Mawatari, Tadamichi All rights reserved. INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted.
Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion. ® UMI UMI Microform 3242591 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code.
ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P. Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 © Copyright by Tadamichi Mawatari 2007 All Rights Reserved il I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. Nelson) Principal Adviser I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. a (Kosuke Ishii) I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy.
Sheppard) Approved for the University Committee on Graduate Studies. iii Abstract The objective of this thesis is to establish mathematical models for predicting strains in the axial and other two orthogonal (transverse) directions of a multi-parameter Bragg grating sensor which is subjected to an axial and transverse loadings simultaneously. Previous work by other researchers has established models for predicting axial strains, but not a combination of those three strain components. Test specimens consisted of polarization maintaining Bragg grating sensors created in optical fibers with bow-tie stress applying parts.
Each of the sensors had two Bragg wavelength peaks at around 1300 nm, and two others around 1550 nm, and those four peaks moved due to external stimuli such as applied loads and/or temperature changes. The change in wavelength from a certain reference state, which is called a wavelength shift denoted by AA, was considered as the key to predict the strains due to the extemal stimuli experienced by the sensor. The specimens underwent thermal, axial, transverse, and combined loading tests, and the relations between the wavelength shifts and external stimuli were investigated. In order to predict the strains experienced by the sensor from the data of wavelength shifts obtained in the experiments, several mathematical models were investi gated.
Those mathematical models were categorized into linear and non-linear models. The linear model assumed a linear relation between the wavelength shifts and the loads applied, while the non-linear model tried to deal with more general conditions since a non-linear IV relation was observed in some of the data. The computed strains were compared with ones obtained from finite element analyses, and the accuracies of the mathematical models were studied. Some researchers hypothesize that the non-linearity between wavelength shifts and applied loads is caused by the rotation of optical axes of the sensor due to large transverse loads.
The related studies were reviewed, and some computations were conducted to understand a possible cause for the non-linear behavior. If a multi-parameter sensor is properly embedded in a material, it is expected that one might be able to measure the multi-axial strains in the material from data on wavelength shifts. An example of an experiment that could check this possibility was formulated, and the related computational procedures were discussed. Also, to improve the ability of the multi-parameter sensor to determine transverse strains, some different cross-sectional geometries of an optical fiber sensor were suggested.
Acknowledgements This thesis was only possible with the support of many individuals. First of all, 1 would like to thank my advisor, Professor Drew Nelson. His academic advice, encouragement, patience, and continuous financial support are greatly appreciated. Second, I would like to thank other reading committees, Professor Kosuke Ishii and Professor Sheri Sheppard, for helpful suggestions on my thesis.
Third, I would like to thank Mr. Stephen Kreger and Mr. John Seim of Blue Road Research (BRR), a fiber optic R&D firm in Fairview, Oregon for conducting experiments that provided data for this research. Furthermore, I would like to extend my thanks to my friends with whom | enjoyed my student life for many years.
Finally, I would like to thank my parents for supporting me during the entire of my life in Stanford. Vi Table of Contents Abstract iv Acknowledgements vi Table of Contents vii List of Tables XV List of Figures xvii 1.1 Objective Of theSi. cà HH HH HH HH HH HT TH Hay 1 1.2 Optical fiber — How 1t FunCfiOTS. sàn HH TH HH TH HH HH ng dư 1 1.3 Optical fIber — HOW I{ ÍS HAđ€,.
HH HH HH HH TH ng nàn 4 1.1 Fabrication Of Dr€ÍOTim. - -- ús- Ăn HH ng ng rệt 5 1. HH HT HH HH TT TH cv 6 1.4 Optical ÍIb€T S€TISOTS.- HH TT HH HH gà TT Hàn iệc 8 1.1 Fabry-Perot Interferometer (FPÏ. HH HH kh ve, 8 1.1 Intrinsic Fabry-Perot Interferometer (TFPI).2 Extrmsic Fabry-Perot Interferometer (EFPI]).2 Bragg Grating S€TSOT.5 Polarization-Maintaining Optical FIb€rS.
-- hnHHHg nh HH HH nen ngư. Multi-parameter sensor 18 2. HT HT HH HH TH TH TT TH ng Hy 18 2.2 Multi-paraImet€T S€TSOF. SH HH HH TH TT ng ca tấp 20 Vii 2.1 Basic concept of single-parameter SCNSOT.2 Basic concept of mulfI-paramefer S€TSOT.
Experiments and finite element analysis results 29 3. Ác HH“ HH HH HH HH HH nàn Hệ 29 3.1 SK specimen f©SfS.-- «TH HH Họ HH nh HH ng 31 3. cu HH «HH HH HH ng gu 33 3.2 SK Axial loading f€SE.- - HH ng yên 36 3.3 SK Transverse loading f€s.4 SK Combined loading fest. -- LH HH ng HH kp 69 3.1 C2 Axial loading test dala.2 C2 Transverse loading test data.3 C2 Combined loading test dafa.
cà kg HH 11111111316 76 3.1 C3 Axial loading test dafa.2 C3 Transverse loading test đafa.3 C23 Combined loading test data.2 Finite element anaÏyS1S. HH HH TH HH HH Hiện 34 3.1 Basics coordinate system for finite element analysis results. Hàng TH HT Hà Hàng tiện 86 3. -- HH nh HT nh HH Hà vi, 86 3.4 Comparison with closed form solufion.3 Determination of fast and SIOW aX€S.
SH HH ki, 88 4. 3-by-3 linear model for strain analysis 93 4.1 Determination of the second and third columns of the K matrix.2 Determination of the first column of the K matrix.3 Reducing the K matrIX tO 3-DV-3 SIZ€. LH HH TH HT nh HH TH Tà gu ch 98 4.1 Data shiÍt in transverse loading t€SfS.2 Data shift in combined loading test.3 Strain analysis and r©SuÏfS. ng HH HT kg.1 SK Axial loading f†€S.2 SK Transverse loading test.3 SK Combined loading tesfs.1 SK Combined loading test — Analysis I.2 SK Combined loading test — Analysis ÏI.3 SK Combined loading test — Analysis III.
HH HH HH HH TT cán nàng HH Hư 131 4.2 C2 Transverse loading f€sf.3 C2 Combined loading f€St.1 C2 Combined loading test — Analysis I.2 C2 Combined loading test — Analysis II.3 C2 Combined loading test — Analysis III. ốẽ ốố ố ốố .1 C3 A xial loading f€SI.- HH HH Hee, 160 4.2 C23 Transverse loading ©Sf.3 C3 Combined loading test 0.1 C3 Combined loading test — Analysis !.2 C3 Combined loading test — Analysis IT.3 C3 Combined loading test — Analysis III. - HH HH TT TH To TH TH HT HH nu 185 4.5 Other maihematical mod€Ì§. ch HH HH HH TH HH ngà key 186 4.1 Model 1: Over-deterministiC sysfem.2 Model 2: DeterministiC sYSf€m.3 Model 3: Singular value decomposition (SVP).
Non-linear model for strain analysis: Foliated Quasi Inverse (FQI) method. HH HH TH TH TT TT HH HT Hàn HH 203 5.1 Problem de€SCTIptIOH. càng HT TH HH nh HH Hư Hy 203 5.1 Mathematical model for wavelength shift: AA=[AA,,AA,, ix 5.2 Mathematical model for strain: e=[£¡,¿,£;, T].5 Outline of this chapf€T.2 5ystem COndi[IOTNS.- HH Hà 1H11 11 Hà Hàn ng Hệ 209 5.1 Relationships observed in experimenIs.2 Reasonable assumptions from mechanics of materials .4 Available experimental đata.5 Formulae to be determined.3 Construction of matrix representation .1 Basic formulae for A and Bio.2 Basic formulae for Aw.3 Basic formulae for E_.4 Matrix forms of A and E.4 Best approximation of matrix represenfation.1 Theoretical properties of the best approximation .2 Experimental properties of the best approximation.3 Selection of the function for the best approximation.4 Selection of the basis.5 Determination of knof sequence.6 Derivation of composition mmatfiX.7 Derivation of companion MAatriX.8 Formulation into Mini-max problem .5 Foliation for an underdetermined system .1 Definition of ÍOliatiOH.--- cà xe cv, 230 5.2 Definition of wavelength and strain foliation.3 Foliation and simultaneous algebraic equations.6 Algorithm for the best apprOXimafOn.1 Determination of the maximum pOInt.2 Determination of the minmimum pOIt.3 Algorithm for the best approximation - Summary -.7 ĐBragg grating senSOr th€OFY.- ng HH ng nh 243 5.1 Mathematical representation for wavelength foliation.2 Mathematical representation for strain foliation.3 Derivation of the generalized K matrix and its inverse.4 Mathematical representations for mechanical loading.1 Mathematical representation for axial loading.2 Mathematical representation for transverse ÏOAdITBE. Ăn HH HH H4 ky 250 5.5 Global coordinate system and 1{s SÍTuCfUTe.1 Introducing orthogonal global coordinate system —.2 Definition of the coordinate transformation @ .3 BGS space and properties of data type.6 Local coordinate system and Its structfure.1 Local coordinate system in BGS A(Ð).{s ho TH K1 TH HC TT TH Ti TH 018 8 1411011550 264 5.1 Erasing Noise TYype Í.2 Erasing Noise Type Í|.9 Basic structure of the theory for Bragg grating sensor.2 ResultS Of aïtaÏYS1S.
HH TH TH HT nọ TH gà Hà Ty 271 5. HT HH HH Hà HH TK TH Hàn Hàn Hà nàn 271 5.1 SK Axial loading test.2 SK Transverse loading teSt.3 SK Combined loading tesi.1 SK Combined loading test — Analysis I.2 SK Combined loading test — Analysis H.3 SK Combined loading test — Analysis II. Án LH HH HH TH TT Tà nọ TH TH ng 1e 294 5.1 C2 Axial loading f€SỂ. - -- QnnH HH re.2 C2 Transverse loading †€sf.1 C2 Combined loading test - Analysis Ï.2 C2 Combined loading test — Analysis IT.3 C2 Combined loading test - Analysis HỊ.1 C3 Axial loading f†€SỂ.2 C3 Transverse loading test .3 C3 Combined loading test.1 C3 Combined loading test — Analysis 1.2 C3 Combined loading test - Analysis I].3 C3 Combined loading test - Analysis ITl.3 SUMMALY n nố ố ốố ốốốốốốGAÕ.
Comparison of results in strain analysis 341 6.1 Computation Of ET OFS. cv HH HH TH HH TH HT KT Hàn ĐH HH 341 6.- HQ HH HH ng HH nh nụ 342 6.1 AXial loading f€SE.à HH HH HH Ha TH HH HH vê 342 6.2 Transverse loading †€SiL.- ong TH HH Hà Hy 343 6. nh HH TH H1 1 Hy HH nh nvệy 345 6. HH HH HH TH nàng thay 345 3/6, 1n nh 4.
con TH HT TH HH Hà ru 348 7. Rotation of optical axes 351 7.1 Non-linear behavior of AÀ, vs. HQ LH HH ngư 351 XH W0 00 vác ch.3 Stress analysis for Rotation Of OptICal aX€§. Án“ HH HT HH HT nh 366 8.1 Strain analysis by muÌti-param€f€T S€TSOTS.1 Multi-parameter sensor embedded 1n a host material.2 Transforming sensor strains to material strains.3 Strains measured by strain rOS€ff©S.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Luận án tiến sĩ: Three dimensional strain measurement by a Bragg grating sensor subjected to axial and transverse load simultaneously" nghiên cứu về vấn đề gì?
Luận án tiến sĩ đề xuất phương pháp đo biến dạng 3 chiều bằng cảm biến mạng Bragg. Nghiên cứu khi cảm biến chịu tải trọng trục và ngang đồng thời.
Luận án "Luận án tiến sĩ: Three dimensional strain measurement by a Bragg grating sensor subjected to axial and transverse load simultaneously" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Stanford University. Năm bảo vệ: 2007.
Luận án "Luận án tiến sĩ: Three dimensional strain measurement by a Bragg grating sensor subjected to axial and transverse load simultaneously" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Luận án tiến sĩ: Three dimensional strain measurement by a Bragg grating sensor subjected to axial and transverse load simultaneously" thuộc chuyên ngành Mechanical Engineering. Danh mục: Khoa Học Giáo Dục.
Luận án "Luận án tiến sĩ: Three dimensional strain measurement by a Bragg grating sensor subjected to axial and transverse load simultaneously" có bao nhiêu trang?
Luận án "Luận án tiến sĩ: Three dimensional strain measurement by a Bragg grating sensor subjected to axial and transverse load simultaneously" có 499 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Luận án tiến sĩ: Three dimensional strain measurement by a Bragg grating sensor subjected to axial and transverse load simultaneously" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.