基于光纤布拉格光栅传感器的光纤光栅智能夹层试验研究

传感元件与复合材料的一体化是智能结构研究的最终目标之一。设计一种具有自诊断功能的标准化、模块化光纤智能夹层系统,正是实现这种一体化最有潜力的技术途径。采用聚酰亚胺薄膜制作了基于光纤布拉格光栅（FBG）传感器的光纤光栅智能夹层,对智能夹层中光纤布拉格光栅传感器的应变、温度特性进行了标定试验,并建立了基于光纤布拉格光栅传感器光纤光栅智能夹层的应变、温度测量模型。试验表明,智能夹层内布拉格光栅波长偏移与应变、温度之间具有良好的线性关系。不过在温度测量时,必须考虑被埋人结构的热膨胀效应。利用光纤光栅智能夹层内光纤布拉格光栅传感器网络和先进信息处理技术,可以建立结构损伤主动、在线和实时监测系统。     

阵列波导光栅解调的准分布式光纤光栅传感器

从理论上和实验上研究了一种操作简单、响应速度快,价格低廉和高分辨率的基于阵列波导光栅(AWG)的准分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感器.该传感系统采用了阵列波导光栅双通道强度解调技术对光纤光栅的布拉格波长和温度进行精确的解调.实验结果表明,该系统对宽带宽光纤光栅的布拉格波长和温度解调均具有高线性度,考虑系统稳定性及光纤布拉格光栅之间的串扰影响,波长测量精度仍可达2 pm,温度测量精度优于0.2℃.     

光纤布拉格光栅传感器应变传递双向耦合分析

粘贴于受弯基体表面的光纤布拉格光栅传感器测量应变与基体真实应变之间存在误差,因此研究光纤布拉格光栅传感器的变形机理、分析测量应变与真实应变之间的关系是目前的研究热点.首先研究光纤布拉格光栅传感器与基体之间的相互作用机理,然后,利用有限元解、实验值和理论解进行对比验证,并分析产生误差的原因.最后,通过参数分析研究弹性模量、厚度、粘结长度等参数对光纤布拉格光栅传感器测量效果的影响.结果表明有限元解、实验值和理论解具有相同的变化趋势,有限元解与理论解的误差在2%以内,测量值与理论解的误差在7%以内.平均应变传递率随着基体弹性模量的增大、粘结长度的增长而逐渐增大,随粘结层弹性模量的减小、粘结层厚度的增大而逐渐减小.该理论对应用于受弯基体应变测量的光纤布拉格光栅传感器的设计具有一定的指导意义.     

光纤布拉格光栅与空芯光纤多模干涉混合型温度应变双参量传感器

针对光纤应变传感器由于温度敏感而引入的测量问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅和空芯光纤多模干涉效应的混合型温度-应变双参量传感器。该传感器由两根单模光纤与一段内径小于单模光纤纤芯直径的空芯光纤熔接制成,其中一根单模光纤的光纤端面附近预刻一组光纤布拉格光栅。空芯光纤长度为厘米量级,光波以多模形式在空芯光纤侧壁中传播。结合光纤布拉格光栅和空芯光纤多模干涉效应对温度和应变的不同响应灵敏度,通过求解双参数耦合矩阵同时获取温度和应变两个参量,并有效解决了单个传感器在温度或应变测量时的温度-应变交叉敏感性问题。采用中心波长为1 550.172 nm的光纤布拉格光栅与一段长为2.5 cm、内径为5μm的空芯光纤制备了相应的传感器,并进行了温度和应变测试。结果表明,光纤布拉格光栅和空芯光纤的温度灵敏度分别达到10.530 6 pm/℃和1.802 1 pm/℃,应变灵敏度分别达到0.720 7 pm/με和1.243 2 pm/με。     

光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的湿度传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纤结构的湿度传感器。当环境湿度变化时,SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移,而光纤布拉格光栅对湿度不敏感,其纤芯基模保持不变。因此利用SMS光纤结构对环境湿度的敏感性去调制光纤布拉格光栅纤芯基模,通过检测光纤布拉格光栅纤芯基模的反射能量变化就可以实现湿度测量。数值模拟了SMS光纤结构的内部光场分布规律,理论计算了不同环境折射率时,多模纤芯的长度、直径对SMS光纤结构输出能量耦合系数的影响。理论模拟表明,随着环境折射率变化,SMS光纤结构中传输的纤芯基模的输出能量耦合系数会发生变化。同时制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究,实验结果表明多模纤芯长35 mm、纤芯直径为85 μm的传感器在45%～95%RH湿度变化范围内,湿度灵敏度为0.06 dBm·(%RH)-1。在20～80 ℃温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008 nm·℃-1,温度所带来的湿度测量误差为0.047%RH·℃-1。传感器具有制作简单、灵敏度高、反射式能量检测等优点,在湿度测量领域有一定的应用价值。     

基于啁啾布喇格光栅的液位传感器

设计了一种基于啁啾光纤布喇格光栅的新型液位传感器,该传感器主要由矩形悬臂梁构成的传感机构和光纤光谱仪组成。导出了啁啾光纤布喇格光栅的反射谱带宽与液位的关系;通过光谱仪检测啁啾光纤布拉格光栅反射谱的带宽,就可以得到被测液位的高度。并对设计的传感器系统进行了实验验证,实验结果表明,该啁啾光纤布拉格光栅反射谱带宽对温度变化不敏感,且在测量范围内,反射谱带宽与被测液位间有很好的线性关系。     

基于波分耦合器的光纤布拉格光栅传感器

为了实现对光纤布拉格光栅传感器的波长解调,使用普通的光纤波分耦合作为波长鉴别器件,将波长的变化转变成光强的变化,并用双路差动放大去除光源强度变化和外界干扰的影响。使用发光二极管(LED)作为光源以降低系统成本,因此使用调制光源和交流放大器对信号进行处理。实验达到约10με的应变测量分辨力和0．2℃的温度测量分辨力。是目前最廉价的光纤布拉格光栅传感器之一。     

不同银含量的Pd-Ag复合膜微结构光栅光纤 氢气传感特性

研究了不同钯银合金原子比例复合膜对微结构光纤光栅氢气传感特性的影响.使用飞秒激光在布拉格光栅光纤包层加工螺旋微结构,将磁控溅射方法制备的不同钯银原子比例的合金膜镀在螺旋微结构表面,研制优化钯银合金比例的新型微结构布拉格光栅光纤氢气传感器.采用扫描电子显微镜和能谱仪对Pd-Ag薄膜进行表征和分析,对三种不同钯银原子含量(Pd∶Ag=2∶1,4∶1,6∶1)的微结构布拉格光栅光纤探头进行氢气传感测试.在室温条件下,钯银原子比例为4∶1的微结构探头具有最佳的氢气传感性能,钯银原子比例为2∶1的微结构探头响应速度最快,但是灵敏度最低.在4%氢气浓度下,螺旋微结构传感器的漂移量达到107pm,对比同类型布拉格光栅光纤氢气传感器,具有更高的灵敏度和更快响应速度.     

可分离温度影响的FBG应变测量方法

光纤布拉格光栅在通信和传感领域具有广泛的应用。利用光纤布拉格光栅中心波长的偏移，可以测量温度和应变等多种物理量，但必须解决光栅对温度和应变的交叉敏感问题。该文简要分析了光纤光栅作为传感器的基本原理及其优点，设计了利用参考光栅法分离温度影响以及利用掺铒光纤的自发发射放大特性分离温度影响的2种应变测量方法。最后，介绍了一种利用倾斜光纤光栅的主模和边模对布拉格光栅中心波长的偏移进行解调的方法，该方法成功地分离了温度对应变测量的影响。     

强度调制的啁啾光纤光栅加速度传感器

设计了一种基于啁啾光纤布拉格光栅的新型加速度传感器,该传感器主要由矩形悬臂梁构成的传感机构和光纤光谱仪及光电探测器组成。导出了啁啾光纤布拉格光栅的反射谱带宽与加速度的关系;通过光谱仪检测啁啾光纤布拉格光栅反射谱的带宽或检测光电探测器输出的电压,即可获得加速度的大小。实验结果表明,该啁啾光纤布拉格光栅反射谱带宽及光电探测器输出的电压对温度变化不敏感,且在0~700m/s2测量范围内,反射谱带宽与加速度间具有良好的线性关系。由于反射谱带宽展宽造成了光纤布拉格光栅反射率的降低,因此光电探测器输出电压的线性响应范围只能达到0~35 m/s2,带宽和电压灵敏度分别达到0.005 6nm·m-1·s-2和0.785 6m V·m-1·s-2。     

光纤光栅传感器的应用

在光纤传感领域，光纤光栅传感技术是十多年来发展最为迅速的技术之一，传感系统本身和应用领域均有了很大发展．文章介绍了光纤光栅的结构、性能以及传感的原理，回顾了光纤光栅传感器在地球动力学、航天器及船舶航运、民用工程结构、电力工业、医学、和化学传感中的应用．     

级联光纤光栅的发展及应用

简要回顾了光纤光栅的发展、基本分类.在介绍光纤光栅基本特性及其在通信、传感中的应用的基础上,讨论了级联光纤光栅的结构、工作原理、分析方法、基本性质,以及它在传感和通信领域中的应用.展望了级联光纤光栅在传感、通信及其他领域的发展前景.     

聚合物封装的高灵敏度光纤Bragg光栅温度传感器

将光纤光栅封装于一种有机聚合物基底中,制成温敏元件,测量了20～100℃不同温度下光纤光栅的反射谱.由于基底材料的带动作用,封装后的光纤光栅温度灵敏度为83.07×10-6/℃,是相应裸光纤光栅的12.3倍.     

一种新的光纤光栅温度传感器的设计

提出一种新的光纤温度传感器,在单模光纤的45°倾斜端面上制作光栅。沿光纤光轴传输到光纤倾斜端面上的光将被全反射,同时被光栅衍射。适当选择光栅常数,可以使衍射零级和衍射负1级在经过不同的传播路径后相遇,并产生干涉,干涉条纹的变化将体现传感器所处环境温度的变化。由理论计算知,当工作波长为1.55μm时,这种传感器可测的温度变化范围为1179℃。     

Underwater Acoustic Sensor with Fiber Bragg Grating

A new type of underwater acoustic sensor is proposed with an optical fiber Bragg grating (FBG). Because of the photoelasticity with respect to the refractive index and the elasticity of the fiber, the sound pressure in water modulates the Bragg reflection wavelength and, in turn, the intensity of the laser light transmitted through the FBG fiber. Good linearity between the detected signal and the sound pressure is obtained in the range from 81 dB to 140 dB re 1 μPa. Since the upper and lower limits of the acoustic signal level for operation of the sensor are limited by the driving circuit and the transduction of the sound in water, the sensor is expected to operate with much larger dynamic range both at higher and lower pressure levels. Operation of the sensor is very stable with the insertion of optical isolators into the system, although without the isolators the output signal fluctuates at low frequency due to the Fabry-Perot interference effect between the FBG and the various facets.     

微结构光纤传感器设计的新进展

根据导光机理、微孔分布、介质载入、纤芯数量及对称性等因素,对微结构光纤进行了具体分类。在此基础上,阐述了微结构光纤传感器的结构设计方法。对近年来国内外(包括作者设计)的典型微结构光纤传感器和微结构光纤光栅传感器进行了详细介绍和综合评述,对基于微结构光纤及微结构光纤光栅的新型传感器的发展进行了展望。     

微结构光纤传感器设计的新进展

根据导光机理、微孔分布、介质载入、纤芯数量及对称性等因素,对微结构光纤进行了具体分类。在此基础上,阐述了微结构光纤传感器的结构设计方法。对近年来国内外(包括作者设计)的典型微结构光纤传感器和微结构光纤光栅传感器进行了详细介绍和综合评述,对基于微结构光纤及微结构光纤光栅的新型传感器的发展进行了展望。     

Fiber grating sensors for high-temperature measurement

Two fiber grating sensors for high-temperature measurements are proposed and experimentally demonstrated. The interrogation technologies of the sensor systems are all simple, low cost but effective. In the first sensor system, the sensor head is comprised of one fiber Bragg grating (FBG) and two metal rods. The lengths of the rods are different from each other. The coefficients of thermal expansion of the rods are also different from each other. The FBG will be strained by the sensor head when the temperature to be measured changes. The temperature is measured based on the wavelength-shifts of the FBG induced by the strain. In the second sensor system, a long-period fiber grating (LPG) is used as the high-temperature sensor head. The LPG is very-high-temperature stable CO₂-laser-induced grating and has a linear function of wavelength–temperature in the range of 0–800 °C. A dynamic range of 0–800 °C and a resolution of 1 °C have been obtained by either the first or the second sensor system. The experimental results agree with theoretical analyses.     

一种高分辨率的光纤光栅传感解调技术

报道了一种基于光纤激光器波长扫描寻址的高分辨率的光纤光栅传感解调方案。光纤激光器的扫描寻址过程由微机来控制。微机控制光纤激光器波长扫描的同时,同步采集、处理传感信号,并通过曲线拟合给出传感光栅的中心反射波长值。本解调方案的波长移动分辨率为０．１ｐｍ,可以实现高分辨率的温度及应变测量。