光纤光栅应力波检测技术及其在霍普金森压杆中的应用

"基于光纤光栅的应力波检测技术研究" 本文深入探讨了一种利用光纤布拉格光栅(FBG)进行应力波检测的技术，特别是在分离式霍普金森压杆(Hopkinson pressure bar)实验中的应用。霍普金森压杆是一种用于测量材料动态性能的实验装置，常用于高速冲击条件下的应力波传播研究。该技术的核心是利用FBG的特性，即其波长会随所受应力的变化而发生漂移，从而可以精确地监测到应力波在材料中的传播情况。 FBG的工作原理基于光的布拉格反射。当光进入光纤并遇到周期性变化的折射率结构（即FBG）时，特定波长的光会被反射回来，这个波长与FBG的周期和光纤的折射率有关。当FBG受到应变或应力作用时，其周期会发生改变，导致反射的光波长发生位移。因此，通过测量FBG中心波长的漂移，可以得到对应力或应变的实时监测。 在实验中，FBG和应变片被对称地粘贴在被测圆柱杆的同一截面上，以同时记录应力波引起的应变。通过对比FBG与应变片在直接撞击和经过波形整形器撞击后的检测结果，研究人员发现两者在时域和频域上的波形和成分高度一致。这表明FBG能够准确捕捉到应力波的特征，且其测量的精度在工程测试中是可接受的。 例如，在撞击速度为11.33 m/s的情况下，FBG测得的最大应变为-1087.04 με，与实际值相比，相对误差仅为2.26%。而在粘贴波形整形器后，撞击速度降低至9.8 m/s时，FBG测得的波速为5236.4 m/s，相对误差为2.84%。这些误差范围表明，FBG技术在高速应力波测量方面具有良好的准确性和实用性。 关键词涉及的领域包括光纤光学、光纤布拉格光栅、霍普金森压杆和应力波。文章通过实验证明了FBG在应力波检测中的优越性能，这为材料动态响应的研究提供了新的工具，也为结构健康监测、冲击工程和高速动力学等领域开辟了新的研究方向。该技术的发展对于提升工程结构的安全性和可靠性具有重要意义。