光纤光栅温度应变智能传感原理及增敏技术研究

文章分析了光纤光栅对温度和应变传感的响应机理，对光纤光栅的纤芯材料选择、光纤光栅的写入方法及封装方法等方面进行了综合评述，在此基础上讨论了实现光纤光栅对温度和应变传感增敏的基本原理和方法，介绍了长周期光纤光栅与光纤布拉格（Bragg)光栅融合测量和如何选用对温度和应变灵敏的纤芯材料，研究了超短脉冲激光直接写入法和如何选用热膨胀系数和弹性模量不同的特种聚合材料对光纤光栅进行封装处理。     

具有温度补偿功能的光纤光栅传感解调系统

从理论和实验上研究了三角形光纤布拉格光栅的温度特性,结果表明：三角形光纤布拉格光栅谐振波长的温度变化率与普通光纤光栅的相同,并且其光谱形状不随温度的变化而改变。利用三角形光纤光栅光谱的这一温度特性,设计了一种具有温度补偿功能的应变传感解调系统。该系统利用斜线光纤光栅将光纤光栅应变传感的波长编码信息转换为强度,并且用信号强度与参考光强度的比值作为应变的度量值。研究表明,应变与应变度量值成线性关系,同时系统具有温度补偿功能。在三种不同的温度条件下,对悬臂梁的应变测试结果显示：在实验测量范围内,温度变化1℃导致的应变测量误差小于6微应变。由于采用信号强度和参考光强度的比值作为应变的度量值,避免了宽带光源的平坦度及波动对测量结果的影响。     

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。     

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。     

合金钢封装光纤Bragg光栅传感器传感特性的研究

提出了一种光纤光栅新型合金钢封装结构。利用等强度悬臂梁和温度控制箱对合金钢封装光纤布拉格光栅的应力和温度传感特性进行了测量。实验表明,采用该种封装的光纤光栅传感器保持了裸光纤光栅的响应灵敏度,其拉应变灵敏度系数为1.17pm/με,压应变灵敏度系数为1.2pm/με,温度灵敏度系数为11.3pm/℃,线性响应度在0.9995以上,可满足实际应用的要求。     

基于侧边抛磨光纤的表面布拉格光栅温度传感器

为了实现在侧边抛磨光纤（SPF）上制作布拉格光栅结构并提高器件设计灵活性,利用重铬酸盐明胶（DCG）作为光刻材料,提出一种新型的光纤表面布拉格光栅制作方法并对该器件温度传感特性进行研究。使用轮式抛磨系统制作SPF,并在SPF侧抛面上旋涂DCG,通过干涉光束曝光显影制作表面布拉格光栅。光谱测量表明:带有布拉格光栅的侧边抛磨光纤在1 480.2 nm处有透射谷,在相应位置反射谱有明显反射峰,其调制幅度达到15.9 dB,这是由于表面光栅的布拉格反射所致。温度传感实验表明,该布拉格反射峰的温度灵敏度为17.84 pm/℃。这种器件已在光纤传感和光纤滤波器等方面获得应用。     

基于拉锥光纤布拉格光栅的法布里-珀罗应变传感器的仿真研究

为解决干涉型光纤应变传感器自由光谱范围较小或干涉条纹精细度较低等问题，提出了一种基于单拉锥光纤布拉格光栅的法布里-珀罗腔的应变传感结构及其改进方案。利用啁啾光纤布拉格光栅不同位置反射不同波长的特性，形成腔长随波长连续变化的法布里-珀罗腔，得到了无穷大的自由光谱范围且谐振谷精细度高。数值计算结果表明，应变传感灵敏度与拉锥光纤的腰区直径和栅区长度正相关。在0～300 με范围内，当腰区直径为光纤直径的3/25，栅区长度为30 mm时，应变传感灵敏度为7.05 pm/με。该结果对其他干涉型传感结构的设计具有一定的参考价值。     

基于峰值匹配分布式估计算法的光纤布拉格光栅传感网络重叠光谱的波长解调

针对有限光源带宽条件下光纤布拉格光栅传感网络重叠复用的解调瓶颈,提出基于峰值匹配分布式估计算法的波长解调方法,将光纤布拉格光栅传感网络重叠光谱的解调问题转化为函数优化问题,利用理论光谱与重叠光谱之间的差异构建优化模型,通过峰值匹配分布式估计算法对该优化模型进行求解得到各光纤布拉格光栅的传感值.分布式估计算法采用高斯混合模型构建描述光纤布拉格光栅传感网络的解空间概率分布,由概率模型采样产生新的种群个体,并引入峰值匹配算子消除光纤布拉格光栅峰值错配,通过反复进化最终得到最优解.采用该方法对不同规模数量的光纤布拉格光栅传感网络进行解调实验,结果表明该方法在大规模光纤布拉格光栅光谱完全重叠的情况下,平均误差可控制在10pm以内;与现有其他解调技术相比,其具有更高的解调精度,能够解决光纤布拉格光栅传感网络光谱在部分重叠甚至完全重叠情况下的波长解调问题,为提升光纤布拉格光栅传感网络复用数量提供了新的解调途径.     

液氮温区下光纤布拉格光栅应变传感器测量性能的研究

基于光纤布拉格光栅传感器的原理,研究了在液氮浸泡情况下光纤布拉格光栅应变传感器的静态传输特性.实验过程中利用悬臂梁原理和美国Micron Optics公司生产的光栅波长可调谐激光扫描法解调系统,分别测量了液氮浸泡中的悬臂梁的正应变和负应变,确定了在液氮温度下悬臂梁应变与光纤光栅波长偏移量之间的关系.为测量高温超导磁体的应变提供了新的方法.     

保偏光纤光栅温度传感性能的实验研究

在经过氢敏化处理的保偏光纤上制作了中心波长在1300 nm窗口的光纤布拉格光栅，并对这种保偏光纤布拉格光栅的温度传感特性进行了实验研究与理论分析。结果表明这种光栅可以用作温度传感器，对温度进行测量。和普通的标准单模光纤布拉格光栅一样，它对温度的响应具有很好的线性关系。本实验结果还可以作为对保偏光纤光栅传感特性进一步深入研究的参考。     

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。     

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。     

FBG温度传感器增敏封装技术及实验研究

介绍了FBG(光纤布拉格光栅)温度传感器测温的基本原理和封装方法,提出一种新型的FBG温度传感器的封装技术,包括封装结构的设计及封装材料的合理选择,目的是提高FBG的温度敏感系数和消除应力的交叉影响。通过对裸光纤和封装后FBG温度传感器的温度特性、应力影响等进行对比实验研究,在5℃至90℃温度范围对FBG的反射波长进行了测量,结果表明:采用此法封装后的FBG温度传感器对温度具有很好的线性度和重复性,基本上消除了应力的影响,可以准确监测温度,测温范围为-15℃~200℃,精度达到±0.05℃。     

新型光纤光栅温度自补偿方法理论分析

为了解决光纤光栅作为应变传感器使用时的温度应变交叉敏感问题,提出了一种全新的光纤光栅温度补偿方法,该方法最大特点是利用一个光纤光栅同时实现了温度自动补偿与应变测量。该方法基于材料的热应力原理,简称为基于材料热应力的光纤光栅温度补偿方法。通过理论分析表明:温度灵敏度系数与应变灵敏度必须精确测定,否则会影响结构设计;应变元件与温度补偿元件的面积之比对温度补偿效果很大,原则上应小于0.5,因此结构半径的加工误差对温度补偿影响很大。应变元件与温度补偿元件的长度比对温度补偿效果基本可忽略,因此,原则上在不影响温度补偿效果的前提下,尽量提高温度补偿元件与应变元件的长度比。     

利用双周期光纤光栅实现应变和温度同时测量

提出了一种新颖双周期光纤光栅传感器。在同一段氢载光纤上先后写入长周期光纤光栅、短周期布拉格光纤光栅 ,利用长周期光栅和布拉格光栅对应变和温度敏感性的差异 ,可实现应变和温度的同时测量。实验中采用这种灵敏结构的双周期光栅 ,在 0～ 170 0 με和 2 0℃～ 12 0℃范围内 ,测量精度可达到± 16 με和± 0 8℃。     

On the possible use of optical fiber Bragg gratings as strain sensors for geodynamical monitoring

Optical fiber sensors can be used to measure many different parameters including strain, temperature, pressure, displacement, electrical field, refractive index, rotation, position and vibrations. Among a variety of fiber sensors, fiber Bragg gratings (FBG) have numerous advantages over other optical fiber sensors. One of the major advantages of this type of sensors is attributed to wavelength-encoded information given by the Bragg grating. Since the wavelength is an absolute parameter, signal from FBG may be processed such that its information remains immune to power fluctuations along the optical path. This inherent characteristic makes the FBG sensors very attractive for application in harsh environments, “smart structures” and on-site measurements.This paper reviews the achievements about the FBG as a strain and temperature sensor and describes the potential applications of FBG sensors for applications in the field of geophysics and its expected development in the near future. The applications could include: rock deformation, fiber-optic geophone, optical based seismograph, vertical seismic profiling and structural monitoring of civil structures. Different techniques to detect strains and various applications will be reviewed and discussed. The problem of temperature–strain cross sensitivity, that is particularly difficult to eliminate, is addressed and approaches to overcome it are discussed.     

光纤Bragg光栅应变、温度交叉敏感问题的研究

解决应变和温度的交叉敏感,实现应变和温度同时测量一直是光纤光栅传感器研究的关键问题。从应变和温度交叉敏感的物理机制出发,较为全面地介绍了几种主要解决方案：双波长矩阵法、2个包层直径不同的FBG法、啁啾光栅法等。并且基于双波长矩阵法,提出了一种基于管式弹性应变敏感元件的光纤光栅传感器结构,很好地实现了温度150℃,压力20MPa的同时区分测量,其温度灵敏度为0.02nm/℃。解决了温度和应变同时区分测量这一技术难题。     

铝槽封装光纤光栅传感器的增敏特性研究

提出了一种光纤布喇格光栅的铝槽封装工艺,并对铝槽封装光纤光栅传感器的应变与温度传感特性进行了实验研究和理论分析.与裸光纤光栅的测试结果比较表明,铝槽封装工艺基本不改变光纤光栅应变传感的灵敏性,但是温度灵敏度系数提高了3.5倍.经过该工艺封装的光纤光栅可以探测识别0.2 με的应变与0.02℃的温度变化.     

分体插接式光纤光栅应变片设计与实现

提出一种适合作为二次变换元件使用的通用型应变传感预制结构——光纤光栅应变片.它以裸Bragg光栅为研究对象,采用分体式设计方法把敏感光栅与连接光纤分别封装于独立的基体中,并通过两个基体相互之间的插入实现了Bragg光栅与测量光路的机械连接.理论分析和实验研究表明:光纤光栅应变片具有与Bragg光栅相同的反射谱,其测量线性度好,灵敏度高,温度误差则随被测试件性质不同而变化,当试件材料与基底材料一致时,温度误差可以忽略.