光纤光栅称重传感器研究

提出一种基于光纤光栅传感技术的称重系统.用特种粘贴剂将布喇格光纤光栅(FBG)粘贴于悬臂梁的自由端,当悬臂梁自由端受力发生微挠度弯曲时,光纤光栅将沿轴向发生形变,通过监测布喇格光纤光栅传感器反射波长漂移测量悬臂梁的微挠度变化.通过分析悬臂梁结构,建立悬臂梁受力与挠度的数学关系,进而测量出加载在悬臂梁自由端应力的数值.通过对系统结构理论分析和实验验证,该装置称重测量范围达到50千克力,测量灵敏度达到0.05千克力,线性拟合度达到0.9997.     

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.     

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。     

新型光纤光栅温度自补偿方法理论分析（英文）

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。     

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.     

光纤光栅自动化金属粘接性能

用超级电镀技术将光纤光栅应变传感元件自动粘接在金属基体上,力学模型分析表明该方法可以有效提升应变传递效率.为了检测该方法的可行性,从光纤光栅自动化粘接的主要工艺环节出发,以光纤光栅的光谱特性为研究对象,以材料力学试验为手段,对自动化金属粘接后的3个光纤光栅进行了光学特性分析和力学特性试验.结果表明:自动化金属粘接光纤光栅的成活率为100%,光纤光栅粘接后的应变测量灵敏度保持在1.2 pm/με,应变传递效率在0.98以上,线性度达0.99,光纤光栅在加卸中的一致性偏差仅为10~(-6)、漂移仅为0.05,优于传统手工粘接.     

光纤光栅横向效应在平面应变测量中的应用

对光纤光栅的横向效应进行了理论分析，并通过实验对其进行了测量。分析表明其产生的原因是光纤纤芯的直径变化及光纤有效折射率随纤芯直径的变化率。通过平面应变模型，分析了在平面应变状态下光纤光栅的应变测量方法。针对光纤光栅横向效应带来的测量误差，以及单个光栅无法测量二维平面应变的不足，提出了一种采用铝合金材料对两根FBG进行十字型封装的新型结构，从理论上消除了光纤光栅横向效应带来的测量误差。     

动态激励下的FBG应变传感器原位校准方法

针对光纤光栅应变传感器测量桥梁结构动态应变值的准确性问题,提出了一种动态激励下的光纤光栅应变传感器的校准方法。采用等强度悬臂梁模拟桥梁结构,在等强度悬臂梁末端瞬间悬挂不同重量的砝码来模拟桥梁上汽车产生的动态激励。以电阻应变片作为参考传感器,光纤光栅应变传感器作为待校准传感器,将这两个传感器的测量数据序列进行比对。针对传感器的测量数据序列出现的时间错位问题,采用互相关算法对参考传感器和待校准传感器的测量数据进行数据匹配。在光纤光栅应变传感器有初始值的情况下进行测量值校准的研究。实验结果表明,该方法有效解决了测量数据序列的时间错位问题,实现了光纤光栅应变传感器的动态校准,采用不同重量的砝码作为激励源对校准结果没有影响,1529 nm和1547 nm波长的光纤光栅应变传感器灵敏度校准系数与静态标定结果基本一致。     

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。     

小直径光纤光栅的研制及传感交叉敏感研究

研究了小直径光纤光栅的研制以及传感中的温度应变交叉敏感问题.首先根据耦合模理论,分析了小直径光纤Bragg光栅光谱特性,确定了包覆层为80 μm的单模光纤加工成中心波长为1 528 nm的Bragg光栅的栅长及周期,并研究了小直径光纤光栅与解设备之间的连接方式.其次利用等强度梁的变形特点,结合矩阵法,提出基于等强度悬臂梁双Bragg光纤光栅矩阵算法,对小直径光纤Bragg光栅的交叉敏感问题进行研究.温度和应变的实验辨别误差分别为5%和6%.实验结果表明,该方法可以分离温度和应变对光纤Bragg光栅传感的影响.采用该方法去除交叉影响,K矩阵始终存在逆矩阵,因此对所采用的光栅无特殊要求,从而扩大了光纤光栅选用范围,并将温度和应变识别出来.