用布喇格光纤光栅传感器测定口腔复合树脂材料光固化收缩与温度演化特性

复合树脂材料已成为重要的牙齿美容修复材料.本文利用两种布喇格光纤光栅传感器测定了口腔复合树脂材料在光固化过程中的收缩与温度演化特性.一种为普通的光纤布喇格光栅,另一种为经过了化学镀镍的光纤布喇格光栅,同时埋入复合树脂样品中,用光照射使其固化,测得光纤布喇格光栅在固化过程中温度和应力随时间的演化曲线.实验结果表明,在光固化过程中,因为聚合反应,树脂产生了强烈的收缩应力和温度变化.掌握复合树脂的光固化收缩特性和温度变化特性对不断改良材料性能以及优化口腔材料的治疗效果具有实际意义.     

聚合物太赫兹光纤布喇格光栅

研究了一种基于聚合物太赫兹光纤的太赫兹光纤布喇格光栅.通过二氧化碳激光器或紫外激光器点对点加工聚合物太赫兹光纤,实现聚合物太赫兹光纤直径的周期性调制,从而实现太赫兹光纤布喇格光栅的周期性折射率调制.基于有限元方法和光纤布喇格光栅相关理论,考虑反射峰波长、反射率、带宽、光纤长度、光纤直径和光纤直径形状变化程度等因素,研究了太赫兹光纤布喇格光栅的特性.理论模拟表明,反射峰波长和光栅周期存在与传统光学波段光纤布喇格光栅不同的非线性关系.     

FBG滤波的级联LPFG温度和折射率传感装置

利用长周期光纤光栅具有较高的温度、折射率灵敏度,以及光纤布喇格光栅具有较高反射效率的特点,设计了一种基于光纤布啦格光栅滤波的级联长周期光纤光栅温度和折射率传感装置.利用光纤布喇格光栅的高反射率,将级联长周期光纤光栅干涉波峰的局部功率反射到功率计中,实现了温度和折射率的测量.基于信号叠加原理,对光纤布喇格光栅滤波的级联长周期光纤光栅温度和折射率传感方法的可行性进行了分析.将实际测得的功率计示数与温度以及折射率的变化进行二项式拟合,其确定系数分别为0.9990和0.9959,表明该传感方法可用于温度和折射率的精确测量.最后对该装置的稳定性做了一系列的测试,验证了该传感系统具有较高的稳定性.     

980nm半导体激光器输出光谱特性的改善

为了改善980nm半导体激光器的输出光谱特性,采用传输矩阵分析法推导了双布喇格光纤光栅谐振腔的传输表达式,对布喇格光纤光栅长度和谐振腔腔长对输出光谱的影响进行模拟仿真,结果表明布喇格光纤光栅长度对输出光谱的影响大于谐振腔腔长对输出光谱的影响,加长布喇格光纤光栅长度能压缩输出光谱线宽.在980nm半导体激光器尾纤上写入不同布喇格光纤光栅长度的双布喇格光纤光栅谐振腔,验证了引入双布喇格光纤光栅谐振腔在压缩980nm半导体激光器输出光谱线宽的同时改善了其输出光谱的稳定性.当环境温度在0~75℃范围内变化时,980nm半导体激光器输出中心波长仅变化0.06nm.     

基于阵列波导光纤温度特性的分布式光纤布喇格光栅解调法

设计了一种使用阵列波导光栅对分布式光纤布喇格光栅中心波长较大范围变化的解调方法.根据阵列波导光栅各通道的中心波长可随温度变化而改变的特性,通过控制软件循环地在几分钟内使加在阵列波导光栅的芯片温度从30℃线性增加到90℃,同时用微机高速采集各通道的数据并分别找出各通道数据的最大值时刻所对应的阵列波导光栅芯片温度,从而根据其波长-温度关系在微机上报告此时各光纤布喇格光栅的中心波长.实验结果表明,系统有效地解决了分布式解调的问题, 微机以小于10 min的周期报告出每通道0.6 nm范围变化的光纤布喇格光栅中心波长(共40个通道),测量相对误差小于2%.     

基于阵列波导光纤温度特性的分布式光纤布喇格光栅解调法

设计了一种使用阵列波导光栅对分布式光纤布喇格光栅中心波长较大范围变化的解调方法.根据阵列波导光栅各通道的中心波长可随温度变化而改变的特性,通过控制软件循环地在几分钟内使加在阵列波导光栅的芯片温度从30℃线性增加到90℃,同时用微机高速采集各通道的数据并分别找出各通道数据的最大值时刻所对应的阵列波导光栅芯片温度,从而根据其波长-温度关系在微机上报告此时各光纤布喇格光栅的中心波长.实验结果表明,系统有效地解决了分布式解调的问题,微机以小于10min的周期报告出每通道0.6nm范围变化的光纤布喇格光栅中心波长(共40个通道),测量相对误差小于2%.     

基于布喇格光纤光栅的电沉积应力演变测试

提出了一种测试电沉积应力演变的方法.其机理为当带金属包层的布喇格光纤光栅为阴极进行电沉积时,在沉积应力作用下,布喇格光纤光栅的中心波长将发生漂移,以此可推知沉积应力的大小.测试中首先利用光纤光栅解调仪记录电沉积应力作用下的布喇格光纤光栅中心波长的偏移量,并将整个沉积时间分成小的时间段;然后依据沉积速度和标定的不同沉积厚度下的布喇格光纤光栅应力灵敏度,计算出每时间段的应力值;最后将各时间段应力累加以获得累积应力随时间的演变.以电镀镍为例,使用涂覆有化学镀镍磷金属包层的布喇格光纤光栅传感器,进行电沉积应力测试,测试表明:当测试镍镀层厚度小于50μm时,传感器灵敏度大于7pm/MPa,准确度大于0.14 MPa;在6 000s的电镀时间内,累积压应力为173.049 9 MPa.     

长周期光纤光栅温度和应力传感特性研究

本文报道了长周期光纤光栅(LPG)温度和应力传感特性的实验研究结果,测得LPG的温度和应力灵敏系数均高于光纤布喇格光栅(FBG)灵敏系数的典型值,在11～80℃和0～100gf的温度和应力测量范围内,温度和应力响应曲线具有较好的线性.基于同一LPG不同透射波长具有不同温度和应力灵敏度的特性,实现了温度和应力的单光栅同时测量.     

光谱频移的炸药熔铸温度网络监测系统研究

为了准确、稳定、全面地获得炸药熔铸过程各个位置的温度变化情况,设计了基于布喇格光栅光谱频移的温度实时监测系统。通过光纤组网系统对炸药熔铸过程炸药指定位置的多个点同时进行实时温度监测,根据光栅的布喇格波长与光栅温度之间存在的线性关系,建立光栅布喇格波长线性频移与光栅温度的函数,获取炸药不同位置的准确温度。四个通道通过耦合器共用同一个宽带光源,每一根光纤上的5个光栅的布喇格波长相互分开。实验所用的光栅为自己设计封装好的光栅,用保偏熔接机将光栅与光纤熔接上,经解调仪获取温度数据。将获取的温度数据经Origin处理绘制时间―温度曲线。结果显示,布喇格光栅测得的温度能很好的满足实验要求。     

磁光光纤光栅滤波器的全光时钟提取性能研究

研究了磁光耦合强度对磁光光纤布喇格光栅中模式转换光反射光谱特性的影响.根据磁光耦合模理论并结合光纤布喇格光栅的传播特性,数值分析了磁光光纤布喇格光栅的磁控特性,得到了3 dB带宽可调的滤波器.采用级联磁光光纤布喇格光栅构造磁控梳状滤波器,实现了40 Gbps归零数据信号的全光时钟提取仿真,分析了时钟信号的抖动性能与磁光耦合参量的关系.     

Interrogation of fiber-Bragg-grating temperature and strain sensors with a temperature-stabilized VCSEL

The interrogation of fiber-Bragg-grating (FBG) sensors using a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) is discussed. A long-wavelength (1.54 μm) VCSEL was used as a wavelength-tunable source by variation in the current. Temperature stabilization was performed with a thermoelectric device. Characteristics of temperature and strain sensing were investigated. FBGs with different reflectivities were compared. For temperature sensing, the root-mean-square error in the measurement was reduced to 1/3 that without temperature stabilization. The dependence of the measurement error on the reflectivities of the FBGs was investigated. The measurement error was larger for FBGs with lower reflectivities in both temperature and strain sensing. Improvement on the sensing with low-reflectivity FBGs is 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。     

Analytical investigation of response of birefringent fiber Bragg grating sensors in distributed monitoring system based on optical frequency domain reflectometry

When Fiber Bragg gratings (FBGs) are used as strain sensors, both longitudinal and lateral strain can be applied uniformly or non-uniformly over the length of the FBGs. In order for the demodulation of such FBG signal, this paper investigates the response of birefringent FBGs which are monitored by distributed measurement system based on optical frequency domain reflectometry. A numerical model of the distributed measurement system is built based on piece-wise uniform approach, which considers polarization states of propagating lights. The numerical model simulates analytical response of birefringent FBGs especially when birefringence induces power fluctuations in the distributed spectra, which can be noise or new opportunity for sensitive monitoring of birefringence. Simulation results show the relationships between the power fluctuations and the polarization states of the propagating lights. Consequently, appropriate methods of polarization control for sensitive distributed birefringent FBG monitoring 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。     

Integration of miniature Fabry-Perot fiber optic sensor with FBG for the measurement of temperature and strain

A sensor has been fabricated by the integration of a fiber Bragg gating sensor (FBGs) with a fiber Fabry-Perot (F-P) sensor fabricated by etching method. In the integrated sensor, the FBG was used to measure temperature, while the fiber Fabry-Perot interferometer sensor (FFPIs) was used for strain measurement. Wavelength decoding for FBG and peak tracking for FFPI was employed for demodulation, respectively. The result showed that the temperature and strain sensitivity for the integrated sensor is ~ 2.7 pm/μεand ~ 9.3 pm/°C, respectively.     

弯曲光纤布拉格光栅靶式流量传感器的研究

设计了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的弯曲靶式流量传感器,采用COMSOL软件仿真了弯曲靶臂受力时的应变分布规律,并将两支FBGs分别粘贴于靶臂的外侧和内侧进行应力测试,仿真与实验结果表明在外力作用下靶臂外侧和内侧分别产生拉应变和压应变,FBGs反射中心波长产生红移和蓝移。同时,测试了该结构的温度特性,在20 ℃~40 ℃两支FBGs反射中心波长均与温度呈线性关系,从而可消除温度对测量结果的影响。随后搭建了弯曲靶式FBG流量传感器测量装置,在0~800 L/H范围内的测量结果表明,两支FBGs反射中心波长与水流量呈较好的线性关系,其流量灵敏度为48 L/H。     

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.     

Application of optical time-domain reflectometry for the interrogation of fiber Bragg sensors

A reflectometric approach is proposed for the polling and multiplexing of sensitive elements on fiber Bragg gratings (FBGs). The method is based on the power measurement of the radiation reflected by the FBG using a conventional fiber-optic time-domain reflectometer. The multiplexing of sensors is based on the time separation of signals. Requirements on the Bragg diffraction gratings that provide the linear dependence of the received signal on the FBG mechanical stress and temperature are determined. In the measurements of the FBG relative elongation and temperature, the threshold sensitivities are 0.8 × 10^?4 (80 μstrain) and 5°C, respectively. Due to its simplicity and efficiency, the reflectometric method of FBG polling and multiplexing can be used to solve various measurement problems, in particular, the safety monitoring of the stressed-strained elements in building structures.     

Bragg光纤光栅法布里-珀罗传感器的应变测量

提出了一种对静态应变进行高分辨率测量的方法。该方法是把Bragg光纤光栅(FBG)与全光纤法布里_珀罗传感器(FFPI)组合起来,利用FBG反射波长的漂移特性来测量干涉条纹的数目。通过利用FFPI和伪外差解调法对小数条纹进行解调,可实现高分辨率的测量。结果表明,静态应变的测量分辨率达到了33×10-9ε(ε为应变)。