基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统的研究

研究制作了基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统, 以多光纤光栅作为波长参考基准、采用可调谐光纤法布里-珀罗(F-P)滤波器作为波长扫描器件。系统中采用三次多项式拟合的方法对滤波器锯齿波的扫描电压与透射波长关系曲线进行非线性拟合, 解决可调谐光纤F-P滤波器的电压—波长非线性关系对系统测量带来的较大误差问题, 实现波长的高精度解调。采用五光纤光栅做波长参考, 单根光纤光栅传感器的解调实验结果表明：待测光纤光栅布拉格波长短期测量分辨率为3.5 pm, 长期测量稳定性为7 pm。采用该系统对光纤非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)应变传感器的测试结果表明, 测量应变灵敏度为2.41 nm/με, 并且应变和波长之间存在良好的线性关系, 线性相关度达到0.99991。     

光纤光栅在等强度悬臂梁均匀应变区的转换与有限元分析

等强度悬臂梁作为力学传感器的关键转换元件,不同尺寸和材料的悬臂梁,其自由端的挠度和作用力的量程及光纤光栅的最大微应变也不同。采用光学测量中的基本元件光纤光栅及等强度悬臂梁为模型基础,设计模型平面节点坐标有六个,平面节点坐标可以改变等强度悬臂梁的尺寸,模型厚度依次设置为0.005m、0.010m、0.015m、0.020m、0.030m。对初始尺寸,厚度为0.005m,材料选择为碳素钢的悬臂梁的仿真,结果表明,光纤光栅工作在均匀应变区时,其自由端挠度的量程为0~2.767×10-2 m,作用力的量程为0~437N,光纤光栅的最大微应变为171με。     

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.     

一种基于光纤光栅法布里-珀罗腔的低频振动传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的低频振动传感方案并进行了理论分析和实验研究。采用单频激光器作为光源,光纤光栅F-P腔通过两点涂胶方式粘接在等强度悬臂梁上,待测振动信号通过支架和悬臂梁将振动作用传至光纤光栅F-P腔,引起腔长周期性变化,从而改变光纤光栅F-P腔的反射光谱特性,通过解调输出光信号的振荡频率和峰值,即可实现对振动信号频率和幅值的测量。利用压电陶瓷模拟的低频振动信号进行了实验验证,测量结果与理论分析相吻合。该传感器测量灵敏度高,特别适用于微弱振动信号的测量。     

光纤光栅应变传感的综合性实验设计

利用光纤布拉格光栅反射波长对外界应变敏感的特性,测量等强度悬臂梁产生的应变,并通过对实验得到的数据进行分析,最终得到光纤光栅反射波长漂移量与应变的关系.     

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。     

柔性固体燃料弹性模量测试的实验研究

利用砝码对柔性固体燃料试件加载,并采用光纤法珀应变传感器对试件进行应变测试;结合砝码重量和测得应变计算出燃料试件弹性模量.测量的标准差为23.04 MPa,在误差允许的范围内,离散度可以接受.实验表明：用光纤法珀应变传感器测量柔性固体燃料的弹性模量是可行的.     

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。     

啁啾光栅结合边缘线性滤波解调的 FBG应变测量系统

介绍一种采用啁啾光栅并结合边缘线性滤波解调的FBG应变测量系统。系统中探头以2个光纤布喇格光栅(FBG)的波长差作为传感信息测量等强度悬臂梁的应变，避免了测量过程中温度变化因素对测量结果的影响，并且提高了灵敏度和分辨率。采用啁啾光栅结合长周期光纤光栅边缘线性滤波技术的波长解调方案，理论上证明了该系统的可行性，系统测量范围为0～500με，在海上开采平台、高层建筑、大型基础构件、桥梁大坝等结构的健康监测中具有一定意义。     

一种新型光纤Bragg光栅流量传感器的仿真与实验研究

为了克服传统单个光纤布喇格光栅传感器对温度交叉敏感的问题,设计制作了一种基于双光纤布喇格光栅的以阻流件和弹性体为换能元件的流量传感器.该流量传感器采用弹性伞状结构体作为流量传感器的换能元件,用硅胶树脂封装双光纤光栅的弹性伞状结构体,起到了温度补偿的作用且提高了应变测量灵敏度.用有限元优化传感器结构,在1~20m/s的流速下利用ANSYS对传感器结构和传感器周围的流体场进行模拟分析,并计算了传感器的灵敏度,实验证明了硅胶树脂作为封装材料的优越性.进行了砝码干校法模拟实验,完成传感器封装前后的性能测试,通过提取该传感器的反射谱信号特征值,得到封装前后传感器的载荷响应灵敏度分别为:1.71nm/kg,0.103nm/kg.表明该流量传感器结构简单、安装方便、具有较好的线性度和灵敏度.     

利用调谐滤波技术的光纤光栅复用传感器

采用光纤光栅悬臂梁线性调谐技术 ,提出了利用调谐滤波技术对光纤光栅复用传感信号进行检测的方案 ,在分析其基本工作原理的基础上 ,实验研究了其波分复用传感特性 ,传感测量的结果与光谱分析仪直接测量的结果基本一致。传感器的波长分辨率主要取决于系统的最小可探测光功率 ,由于采用了高灵敏度的光电测量系统 ,传感测量的波长分辨率可达 0 .0 0 5nm ,应变分辨率可达 5.7× 10 - 6 。     

动态匹配光栅解调传感系统温度补偿研究

采用一对辅助匹配光纤光栅,结合基于MAX1968EUI芯片闭环自动控制,设计了一种半导体小型温度控制系统.通过控制传感光栅反射峰值变化,使匹配光栅温度变化与传感光栅周围环境温度变化相匹配,实现了动态匹配光栅解调方案的应变测量系统温度补偿,消除了光纤光栅传感器温度、应变交叉敏感效应对传感系统测量应变的影响.解调系统同时采用一支微测力传感器作为解调系统的输出,消除了传统动态匹配光栅解调系统中压电陶瓷磁滞效应对测量结果的影响.实验结果表明,温度变化对系统应变测量影响误差小于2％,传感系统的线性优于0.999 5.     

高灵敏度双光纤布拉格光栅应变传感实验教学系统

设计了基于双光纤布拉格光栅(FBG)的高灵敏度应变光纤传感实验教学系统.两只具有不同反射中心波长(1 546.209 nm和1 541.713 nm)的FBG串联熔接后,分别黏贴于等强度悬臂梁的上表面与下表面.通过测量两只FBG的反射中心波长差值与等强度悬臂梁应变量的关系,实现对应变量的传感测量.仿真结果显示,双FBG应变传感的灵敏度为单FBG应变传感的2倍,且具有温度自补偿特性.实验结果验证了仿真分析的结论,测得双FBG应变传感的灵敏度为2.10 pm/με,且传感测量准确性不受环境温度变化影响.     

金属基底光纤光栅应变传感器的传感特性研究

为了满足桥梁和大坝等民用建筑和航空航天飞行器等结构的健康监测与管理需要,设计并制作了两种分别用钛合金和不锈钢材料封装的光纤布拉格光栅应变传感器,并利用悬臂梁校准装置对两种传感器的应变特性进行测试。试验结果表明,钛合金封装的线性度及应变灵敏系数优于不锈钢材料封装的传感器。因此,在对结构的应变监测时,使用钛合金封装的传感器更能真实反映结构的应变变化,从而达到健康监测的目的。     

用光纤光栅传感器测量外压力的动态调制方法

为了提高光纤布拉格光栅压力传感器的精度和降低系统成本，提出一种使用光纤双布拉格光栅测定压力的测量方法，即在外界压力作用下，传感光纤布拉格光栅反射波长的飘移被转变成在交变力策动下发生弯曲的等强度悬臂梁调制的扫描光栅的反射光脉冲间隔的变化。实验结果表明：光纤布拉格光栅反射波长漂移的测量范围为0～3nm，波长测量的不确定度为1pm；压力传感器的量程为0～6MPa时，压力的测量不确定度为0.005MPa。     

3D打印封装光纤光栅传感器应变传递机理研究

采用3D打印方法开发光纤光栅应变传感器,建立裸光纤光栅传感器、3D打印封装层、被测基体三者之间的应变耦合传递的分离式模型,推导光纤光栅传感器与被测基体的应变传递关系,分析夹持式3D打印光纤光栅应变传感器应变传递率的影响因素,包括封装层弹性模量、封装层厚度、黏结长度。研究结果表明平均应变传递率与封装层弹性模量和黏结长度呈正相关,与封装层厚度呈负相关。研究成果对夹持式光纤光栅应变测量、误差修正和传感器设计,以及3D打印技术封装光纤布拉格光栅的可行性具有参考意义。     

双三角形结构的光纤光栅压力和温度双参量传感器

为解决压力和温度同时测量时的交叉敏感问题,提出一种基于双三角形悬臂梁结构的光纤光栅压力、温度双参量测量传感器. 在外界压力作用下,光纤布喇格光栅反射谱分裂成双峰结构,悬臂梁的应变调制传感光纤光栅双峰间距,温度变化转变成反射谱整体的移动. 实验结果表明该结构可实现单光栅双参量测量,且具有良好的线性和可重复性.     

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.     

新型高准确度光纤光栅压力传感系统

提出一种使用光纤双布喇格光栅测定压力的测量方法.在外界压力作用下，传感光纤布喇格光栅反射波长的漂移,被转变成在交变力策动下,发生弯曲的等强度悬臂梁调制扫描光栅反射光脉冲间隔的变化.实验结果表明，光纤布喇格光栅反射波长漂移的测量范围为0～3 nm，波长测量的不确定度为1 pm；压力传感器的量程为0～6 MPa时，压力的测量不确定度为0.005 Mpa.     

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。