浮空器柔性复合蒙皮形变光纤光栅传感实验研究

针对浮空器囊体形状的实时传感问题,研究了柔性复合蒙皮形变光纤传感方法。分析了柔性复合蒙皮形状传感原理与算法;制备了Vectran纤维(聚芳酯纤维)蒙皮试样,实验研究了柔性蒙皮的曲率变化与光纤光栅曲率传感器中心波长漂移量的关系,分析了坐标系变换的曲线重构算法在浮空器蒙皮材料应用下的精度。得出FBG曲率传感器中心波长的漂移量随蒙皮材料的曲率半径增大而增大,形变曲率半径在1～12m~(-1)范围内时,蒙皮形变传感重构误差小于4mm。研究结果表明:用光纤光栅传感方法可实现浮空器柔性蒙皮形变的传感和重构,在浮空器囊体形变监测中具有应用前景。     

基于光频域反射仪的光纤分布式三维形状传感技术

光纤形状传感技术能够测量姿态、取向、径迹以及位置等三维空间信息,在精准介入医疗、变体飞行器以及连续体机器人等领域具有广泛应用前景。光频域反射仪具有高空间分辨率和分布式测量等特点,相较于光纤光栅的波分复用技术,在提高形状传感空间分辨率、形状重构精度以及传感长度等方面具有明显优势。在阐明光频域反射仪分布式应变传感原理的基础上,建立了弯曲形变与应变以及光纤瑞利散射光谱波长漂移之间的物理关系,同时构建了弯曲大小、弯曲方向以及挠率与空间曲线局域标架三个正交分量的数学关系,最后采用切向分量的线积分实现光纤三维形状重构。实验设计并制备了一种基于镍铬形状记忆合金丝与三根光纤束封装的形状传感器,其二维、三维形状末端的平均最大误差为传感器总长度的0.58%和3.45%。     

失配型双芯长周期光纤光栅弯曲矢量传感

利用高频CO2激光单侧曝光技术及双芯光纤的非对称性,设计并制作了一种长周期光纤光栅弯曲矢量传感器.成栅机理分析表明,光纤边缘处嵌入的纤芯极大地增强了包层中的残余应力,在CO2激光脉冲曝光时,残余应力释放作用增强,光栅质量更高;同时,双芯光纤的非对称结构以及CO_2激光单侧曝光使得光纤器件对偏振非常敏感,写制的光纤光栅在1 555.4nm谐振波长处的偏振相关损耗高达20.8dB.弯曲传感测试表明,在0~1.235m~(-1)曲率范围内,光纤光栅向+y方向弯曲时,透射谱谐振峰波长向长波方向漂移,灵敏度为2.37nm/m~(-1);光纤光栅向-y方向弯曲时,谐振峰波长向短波方向漂移,灵敏度为1.80nm/m~(-1).该弯曲矢量传感器结构简单,灵敏度高,可广泛应用于道路、桥梁等建筑的安全检测.     

温度对光纤布喇格光栅化学传感器性能的影响

阐述了光纤Bragg光栅化学传感的基本原理,推导并利用数值计算得出了腐蚀掉包层后的光纤Bragg光栅的纤芯有效折射率随外界折射率变化的关系.分析了温度对这种传感器造成的误差.研究表明,温度会造成光纤光栅变化和改变溶液折射率的大小,从而对传感器的测量造成影响.设计了一种温度补偿方案.实验分别研究了低浓度溶液和高浓度溶液中传感头两段不同光栅区的Bragg波长随温度的变化.结果表明：在清水中,传感头两段光栅区Bragg波长受到温度变化的影响基本相同,通过测量波长的差值可消除温度的影响;高浓度溶液中,传感头受温度影响造成的总波长漂移量约为未被腐蚀光栅区的波长漂移量的0.6,与理论的结果基本一致.传感头受温度影响造成的总波长漂移量可由未被腐蚀光栅区波长漂移量的大小得出,进而可消除温度对溶液传感的影响.     

基于信号自相关原理的光纤光栅数字解调方法

为满足工程测试领域对光纤光栅波长漂移高分辨探测技术的需要,提出一种基于信号自相关原理的新型光纤光栅数字解调技术.该技术在可调谐滤波法的基础上,通过对信号序列采用自相关分析以实现对波长漂移的测量以及对传感光栅反射谱形状的识别,能够有效克服噪音对信号的影响.仿真结果表明：光纤光栅自相关数字解调方法可以准确测量光纤光栅波长的漂移,适用于传感光栅具有相同波长的变化范围.     

对弯曲不敏感的长周期光纤光栅传感器

发现了用高频CO₂激光写入的长周期光纤光栅的谐振波长对弯曲灵敏度在圆周的不同方向上呈现周期性,且在两个特定的对称方向上对弯曲不敏感(即弯曲曲率达到1.1m^-1,谐振波长仅漂移-0.018nm).据此提出新型对弯曲不敏感的传感器和可调灵敏度弯曲传感器的设计方案,可望从根本上解决长周期光纤光栅在测量中存在的温度、应变或折射率与弯曲之间的交叉敏感问题.     

基于光纤光栅的高灵敏度流速传感器

利用光纤光栅压强传感机构和汾丘里管设计了一种基于光纤光栅的流速传感器,并推导了光纤光栅中心波长漂移量与流速的关系式。实验表明,该传感器具有较高的灵敏度,稳定性较好,光纤光栅的中心波长随流速的增加而不断向短波方向漂移,而带宽几乎没有变化,实验和理论符合得较好。该流速传感器的动态感测范围为51.0~148.2 mm/s,在该范围内,至少可感测到0.3 mm/s的流速变化,这是目前所报道的最优值。优化光纤光栅压强传感机构及汾丘里管的参量,可测量其它速度段的流速,并可进一步提高传感灵敏度。     

光纤光栅式飞机驾驶杆杆力传感器研究

提出了一种基于光纤布喇格光栅的飞机驾驶杆力传感器.理论上讨论了飞机驾驶杆弹性元件力学特性和光纤布喇格光栅的应变传感特性,分析了飞机驾驶杆力传感器的灵敏特性.实验上通过测量不同外加载荷力作用下光纤光栅中心波长变化,研究了光纤光栅式飞机驾驶杆力传感器的传感响应特性.实验结果表明:光纤光栅中心波长漂移量和外加载荷力成线性关系,与理论分析吻合;传感器的横向与纵向灵敏度可以分别达到2.07pm.N-1和1.80pm.N-1,与数值模拟结果基本一致.     

长周期光纤光栅弯曲传感特性

基于耦合模理论和微扰近似,研究了长周期光纤光栅(LPFG)弯曲传感特性与弯曲曲率及光栅结构参数(光栅长度和栅格周期)之间的关系.当弯曲曲率增大到某一值时,一个透射峰分裂为两个,两个分裂峰的谐振波长与弯曲曲率的变化关系呈二次曲线关系,与栅格周期成反比变化,而与光栅长度基本无关.利用B-Ge共掺单模光纤制作的LPFG证实了理论的正确性,且具有很好的重复性.     

岩层变形检测的光纤光栅多点传感理论与工程应用

为了监测松散地层沉降变形,提出了一种用于钻孔中植入式光纤Bragg光栅传感器(FBG)的结构和传感网络系统.基于室内实验结果,给出了用于岩层变形检测的传感光栅波长带宽为6 nm,分析了多点传感信号分辨因子,山光源带宽决定的测试系统最大实际复用能力为6个传感器.设计并实现了一个由18个光纤光栅组成的具有特色的光纤Bragg光栅波分复用/空分复用混合阵列.工程实践表明,光纤光栅传感系统采用双同路布置.可提高系统下放后光纤光栅传感器的成活率.     

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。     

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。     

FBG多功能传感系统集成与应用

为充分发挥光纤光栅(FBG)传感系统复用能力,可同时对传感光路各个传感器的光信号进行有效识别,且为传感器设计和加工提供依据,基于FBG传感原理,从系统集成及复用能力优化的角度,探讨波分复用传感器设计方法,以及节点传感器结构和灵敏度设计原则与标准,并将提出的原则等应用于某实际工程光纤监测系统。传感系统在运行过程中,获得了较为可靠的监测数据,分布式光纤和点式电测技术测试结果相差6%左右,进一步表明临近光纤传感器没有出现传感信号串扰现象,为工程施工和安全维护提供参照。     

基于CDMA的布拉格光纤光栅传感系统的仿真分析

讨论了光纤光栅传感系统中常用的复用技术及其限制,阐述了利用CDMA技术实现光纤布拉格光栅阵列波长解调的复用方式,对系统的原理和性能进行了理论分析。在此基础上通过MATLAB做了基于CDMA的光纤光栅传感仿真分析,仿真结果表明该方法能区分反射波长重叠的光栅,从而提高FBG网络复用的频带利用率。     

Optical fiber Bragg grating hydrogen sensor based on evanescent-field interaction with palladium thin-film transducer

Fiber Bragg grating (FBG) sensors in single-mode optical fibers are widely applied for measurement of temperature and strain. If exposing FBG sensors to an external analyte by planar side-polishing technique of the fiber, evanescent-field interaction yields a Bragg wavelength shift also by changing the refractive index of the analyte. Deposition of sensor-specific transducer layers on the side-polished fiber can specify this spectrally encoding and network-capable optochemical fiber Bragg grating refractometry to the monitoring of specific substances, absorbed gases and vapors. In this paper, the sensor principle is demonstrated for the example of a hydrogen gas sensor based on a palladium thin-film transducer. Hydrogen in 0.1–4% volume concentration range can be monitored by the spectral shift of the Bragg wavelength, which is caused by the decreasing complex refractive index of Pd with increasing absorption of hydrogen.     

Rapid fabrication of microhole array structured optical fibers

A microhole array in a common single-mode fiber is fabricated by selective chemical etching of femtosecond-laser-induced fiber Bragg grating (FBG), which has a laser-modified region extending from the fiber core to the cladding-air boundary due to laser self-focusing. The shape and size of the orderly microhole on the fiber surface are controlled via changing conditions of FBG fabrication and chemical etching. A simultaneous sensing for surrounding refractive index and temperature is demonstrated by this microhole array FBG through measurement of the transmission power change and Bragg resonant wavelength shift.     

动态匹配光栅解调方法波长读出优化研究

提出了采用一支价格低廉的微测力传感器作为匹配光栅解调系统的波长读出单元,不同于以往动态匹配光栅解调法采用拉伸匹配光栅的PZT驱动电压作为解调系统波长读出单元.当匹配光栅和传感光栅布喇格中心波长重叠时,光电探测器将接收到最大光信号.利用光纤光栅轴向受力和反射波长漂移的数学关系得到光纤光栅传感器的波长漂移.该解调系统解决了传统动态匹配解调系统中PZT本身特性对系统的影响,探测到的光纤光栅传感器反射波长和匹配光栅轴向受力大小具有很好的线性,系统线性大于0.999.本系统对于探测布喇格传感器应变分辩率达到1 με以下.     

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。     

Dynamic strain monitoring by wavelength locking between two fiber Bragg gratings fiber sensing system

We demonstrated a fiber sensing system using the method of wavelength locking of two identical fibers Bragg gratings (FBG) to interrogate the wavelength shift by directly measuring the intensity of the reflection from the sensing Bragg grating. The light source of the fiber sensing system is an EDFA fiber ring laser pumped by a 980 nm laser diode and a narrow bandwidth fiber Bragg grating for the filter of the ring laser resonator. The wavelength shift is converted to the intensity deviation of the reflection from the sensing FBG under strain variation, and is able to achieve real-time sensing of the dynamic strain sensing in civil engineering. The characteristics and key factors to maintain stability of the dynamic strain sensing system are discussed.     

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。