具有温度补偿的光纤位移传感器

位移测量是结构健康检测的重要参量之一.本文提出了一种双悬臂梁粘贴光纤光栅的位移传感器,它将位移变化转换成两只光纤光栅的波长移动,实现对位移量的绝对测量.通过引入对称补偿光纤光栅的方法解决了温度与位移交叉敏感的问题.推导了位移传感器的工作原理,完成了相关实验,并分析了传感器所产生误差的来源.实验结果表明,在量程为20 m...     

具有温度补偿的光纤位移传感器

位移测量是结构健康检测的重要参量之一.本文提出了一种双悬臂梁粘贴光纤光栅的位移传感器,它将位移变化转换成两只光纤光栅的波长移动,实现对位移量的绝对测量.通过引入对称补偿光纤光栅的方法解决了温度与位移交叉敏感的问题.推导了位移传感器的工作原理,完成了相关实验,并分析了传感器所产生误差的来源.实验结果表明,在量程为20 mm的时候,位移灵敏度为123 pm/mm,温度补偿前,温度对位移的影响是234.9 μm/℃;温度补偿后,温度对位移的影响为17 μm/℃.本位移传感器量程大、线性好、准确度高,不易受恶劣环境影响.     

带宽调制型单光纤光栅温变无补偿位移传感

报道了利用反射谱带宽调制和光强差分探测技术实现单一光纤光栅温变无补偿位移精确测量的新方法。设计了一种结构新颖的曲臂梁位移传感装置,结合光波导理论与材料力学原理分析了光纤光栅在高斯应变作用下光栅反射谱侧向梯度展宽的成因,理论推导了特殊结构梁在外力作用下光栅反射谱带宽/反射光强与压力之间的响应关系。光栅反射谱侧向梯度展宽的同时反射光强线性增加,利用光强差分检测方法消除光源出光抖动的影响,提高了位移测量精度。基于带宽调制的光纤光栅位移传感方法免受温度变化的影响,在-10℃~80℃的温度变化范围内,测量误差小于1.2%,实现了单光纤光栅温变无补偿位移测量。     

用光纤光栅传感器研究压电陶瓷的特性

提出了一种利用光纤光栅传感器研究压电陶瓷特性的新方法.该方法采用非平衡Michelson扫描干涉仪对光纤光栅传感信号进行相位解调,通过观测波长漂移引起的相移,从而获得压电陶瓷的位移量与所加电压间的关系.实验分析了迟滞特性和蠕变现象,得到了压电陶瓷的电压-位移特性曲线以及蠕变特性曲线.实验表明,光源功率的波动对压电陶瓷迟...     

新型光纤光栅中心波长与带宽独立调谐方法

提出了一种新型光纤光栅中心波长与带宽独立调谐方法，将光纤光栅沿圆柱形弹性梁的轴向成一定角度粘贴于侧面，通过改变梁的扭转角与侧向位移，实现了光纤布拉格光栅中心波长与带宽的准线性独立调谐，实验上获得了8．28nm准无啁啾波长调谐和5．32nm准无中心波长漂移的带宽调谐，实验结果与理论分析一致.     

用光纤光栅传感器研究压电陶瓷的特性

提出了一种利用光纤光栅传感器研究压电陶瓷特性的新方法.该方法采用非平衡Michelson扫描干涉仪对光纤光栅传感信号进行相位解调,通过观测波长漂移引起的相移,从而获得压电陶瓷的位移量与所加电压间的关系.实验分析了迟滞特性和蠕变现象,得到了压电陶瓷的电压-位移特性曲线以及蠕变特性曲线.实验表明,光源功率的波动对压电陶瓷迟滞特性不能造成影响且压电陶瓷的蠕变特性与电压方向无关.     

新型光纤布拉格光栅温度自动补偿传感研究

将光纤布拉格光栅斜向粘贴于厚度相等的等腰三角形悬臂梁的侧面，利用光纤光栅啁啾效应，通过测量带宽进行多种力学量的传感研究。理论和实验均证明，该传感装置具有温度自动补偿功能。在位移、应力等参量的传感实验中获得了很好的线性响应，位移和应力传感的灵敏度分别为2.47nm/mm和2.26nm/N，光纤光栅实验带宽达15.5nm。     

基于啁啾光纤光栅的温度自补偿位移传感器

基于双三角结构的悬臂梁,提出了一种使用啁啾光纤光栅测定位移的方法.悬臂梁受到应力时引起刚性粘接在悬臂梁上的啁啾光栅反射谱带宽压缩,通过测量反射谱带宽进行位移的测量.该结构克服了位移测量时温度的交叉敏感问题,温度变化引起反射谱整体移动但不会改变带宽.测试结果表明该传感器具有较高精度、良好的线性和可重复性等优点.     

光纤光栅辐射特性的研究

本文论述了光纤光栅辐射特性.通过耦合模理论首次给出了单模光纤偏振态(SOP)与光纤光栅远场辐射损失之间的关系.实验数据与理论分析基本吻合.利用光纤光栅这一关系可实现光纤偏振态在线检测.     

一种监测钢筋腐蚀的光纤光栅传感器的研究

钢筋腐蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性劣化的最重要因素之一。钢筋腐蚀将导致钢筋体积大大增加,混凝土保护层开裂、剥落,结构承载力下降,甚至倒塌。基于光纤布拉格光栅应变传感器的原理,根据钢筋腐蚀体积膨胀,提出了一种新的钢筋腐蚀光纤光栅传感器及温度补偿方法。传感器构造是在两根紧靠的钢筋中心附近粘贴光纤光栅,由于钢筋腐蚀体积膨胀,钢筋直径增加将转变成布拉格光纤光栅的应变,从而实现对钢筋腐蚀程度及速率的监测。传感器的监测原理是设置一个钢筋腐蚀光纤光栅传感器来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变,同时单独设置一个不锈钢光纤光栅传感器来测量温度引起的光栅应变。这两个光纤光栅传感器的应变监测,可分离出钢筋由于腐蚀所引起的体积变化。在混凝土结构中埋入封装的传感器,通过监测光纤光栅波长的漂移可以直接测量钢筋腐蚀程度,而且不受腐蚀因素的影响,可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测。最后通过实验标定了钢筋腐蚀率与光栅波长位移的关系。     

基于光纤光栅传感的管道滑坡监测方法研究

针对铺设在滑坡体内的管道,提出了基于光纤光栅传感的管道滑坡监测方法。阐述了已知管道上三点应力求最大应力的方法。采用温度自补偿式光纤光栅应变传感器监测管体应力,对传感器测量的5.12汶川地震后管体应力数据进行分析。结果表明:地震对滑坡有显著影响,发生了浅层滑动面的较大位移;管体的应力都有显著增长,但总应力水平还低于预警阈值,尚处于安全状态。     

基于FPGA和DS18B20的温度光栅的波长标定方法

提出了一套基于FPGA(fiber-Bragg-grating)和DS18B20的温度布拉格光栅的波长标定方法。基于DS18B20对外界温变的实时响应特性,将数字温度传感器DS18B20与连接了光谱仪的温度光纤布拉格光栅FBG置于同一温度场中,以现场可编程门阵列FPGA(field-programable-gate-array)作为数据处理和控制芯片,设计了通过串口发送智能指令对温场变化的实时监控和显示系统。方法中不需要温箱进行恒温控制,降低了FBG波长标定的成本及功耗。实验表明,标定出的波长-温度曲线线性度为0.999,测得光栅的温度灵敏度系数为9.899 pm/℃,与用恒温箱测得的结果10.468 pm/℃相差0.569 pm/℃,在系统允许误差0.619 pm/℃范围内,验证了该方法的准确性。     

一种新颖封装的耐高温光纤Bragg光栅温度传感器

分析了光纤Bragg光栅的传感原理，将光纤光栅置于细钢管通过一种耐高温胶粘结细钢管两端使光纤光栅在高温下不脱落，并通过细钢管上的中间螺纹给光纤光栅施加预应力，使光纤光栅在温度变化过程中一直保持张紧状态，保证传感器有很好的重复性和良好的线性.实验结果表明:该FBG光纤光栅温度传感器灵敏度为0.0252 nm/℃，有良好的重复性和线性，温度测量范围达200℃以上，可应用在高温环境测量温度的变化.     

Remote fiber sensor based on cascaded Fourier domain mode-locked laser

We propose a high-speed remote fiber Bragg grating (FBG) sensor interrogation system based on a 1.3-μm cascaded Fourier-domain mode-locked (FDML) laser. It consists of multiple FBGs connected to an optical circulator in the laser cavity. The cascaded FDML laser with these multiple FBGs is operational when the scanning frequency of the fiber Fabry-Perot tunable filter matches the fundamental frequency of the laser cavity. Each FBG provides a separate laser cavity for the FDML laser. The scanning frequencies of each laser cavity are 30.5314, 31.5393, 32.7108, and 33.8023 kHz. Using the cascaded FDML laser, we measure the performance of the long-distance static strain FBG sensor interrogation system in both the time and spectral domains. The slope coefficients of the measured relative wavelength difference and the relative time delay from the static strain are found to be 0.95 pm/μstrain and 0.15 ns/μstrain, respectively. We also demonstrate the dynamic response of the interrogation system with 80-Hz modulation strain using the cascaded FDML laser. Thus, an FBG sensor interrogation system for high-speed and high-sensitivity long-distance monitoring systems can be realized using a cascaded FDML laser.     

植入碳纤维蜂窝夹芯结构的光纤光栅热载荷响应光谱研究

针对航天领域复合材料结构在空间服役环境的热响应监测需求,研究了一种热载荷作用下基于光纤Bragg光栅(FBG)反射光谱特征分析的碳纤维蜂窝夹芯结构监测方法。将光纤Bragg光栅传感器分别植入碳纤维蜂窝夹芯结构的不同铺层,通过监测不同热载荷下各铺层位置的光纤光栅反射光谱,得到碳纤维蜂窝夹芯结构相关铺层位置热应变特征。研究表明,碳纤维蜂窝夹芯结构不同材料铺层的热应变特征存在一定差异。植入外蒙皮表面与玻璃布之间的光纤光栅反射光谱随着温度升高,中心波长向长波方向漂移,且波形未出现明显改变。埋植于外蒙皮第二、三层碳纤维织物预浸料之间的光栅反射光谱随着温度降低逐渐出现旁瓣、多峰等啁啾效应,其主峰与右侧次峰中心波长均向短波方向逐渐漂移,主峰峰值幅度变化较小,温度灵敏度约为5.56×10-3 dBm·℃-1,而右侧次峰幅度显著增大,温度灵敏度约为40.32×10-3 dBm·℃-1;埋植于内蒙皮和蜂窝芯子之间的光栅反射光谱随着温度降低,其半波峰带宽逐渐增大,变化率约为3.19 pm·℃-1,且出现显著多峰趋势,这是由于层间热应力分布不均匀所形成。在-70~+60 ℃温度范围,各植入层热应变均随温度升高而增大,且变化趋势相接近,而在+60~+120 ℃温度范围内,各植入层热应变变化趋势呈现显著差异。这些特性能够为后继空间环境复合材料航天器结构状态在轨监测提供有益帮助。     

Design and experiments on a wide range fiber Bragg grating sensor for health monitoring of coal mines

The tunnel collapse problem of coal mine is very common and its damage is very serious. It also seriously endangers people's lives and property safety. At present, a variety of instruments are used for tunnel roof structure health monitoring in most of the coal mines at home and abroad. In this paper, a displacement sensor using optical fiber grating technology was designed, which could be used to prevent the problem of coal mine tunnel collapse by monitoring the coal mine tunnel roof displacement. Firstly, finite element analysis was demonstrated to simulate the stress and displacement of coal mine tunnel roof to determine where to install the sensor. Then the characteristics of the fiber Bragg grating sensor were analyzed in detail and the sensor structure was designed according to the actual requirements in the coal mine. At last, the feasibility of the whole system was experimentally verified. The cross-sensitivity of the temperature and displacement issue with FBG sensors could be eliminated by using matched pairs of FBG. The measuring range of 50 mm and the measurement resolution up to 0.06 mm could be obtained with the proposed sensor.     

Experimental research on distributed fiber sensor for sliding damage monitoring

A distributed optical fiber sensor (DOFS) with the principle of microbend loss has been developed for concrete or rock-sliding damage measurement. The combination of multiple microbend sensors can form a sensor array for distributed sensing application in monitoring local slippage or deformation along the rock mass of the high slope, and the optical time-domain reflectometry (OTDR) can be conveniently used for interrogation of each sensor point. The sensor sensitivity can be obtained at a specific range according to the requirement of the model test condition. Connected with multiplexed sensing processing schemes, its sliding range of dynamic sensing response reached 0–3.6 mm and semi-empirical formula was fitted according to data from model tests. The DOFS array may find a potential application in real-time monitoring and damage detection of large and critical slope engineering structures.     

光纤光栅传感技术在成桥检测中的应用研究

在分析的基础上,通过等强度梁试验具体验证了光纤Bragg光栅波长变化与应变的关系,研究了光纤Bragg光栅传感器的布设工艺,并在某大桥的成桥检测过程中成功地布设了36个光纤Bragg光栅应变传感器与5个温度传感器,布设的传感器在成桥检测过程中监测结构层状态。监测结果表明：埋入的光纤Bragg光栅传感器具有很好的传感性能,可以很方便地监测桥梁结构,为桥梁结构的健康诊断提供可靠的依据。