光纤光栅三维应力传感器的设计与实现

以光纤光栅为敏感元件,设计并实现了一种基于圆柱结构的三维应力传感器.该传感器由三个光纤布喇格光栅等角度粘贴在圆柱体探头而实现.对这种三维传感器应用材料力学理论进行了传感原理的推导与分析,并进行了任意方向上应力大小的传感测量实验.实验表明:这种传感器可以准确测量三维空间任意方向的应力大小及方向,测量线性度高;在0-5N的测量范围内,误差不超过±1.58%,分辨率为9.2×10－3N.     

熊猫光纤光栅压力传感特性研究

采用有限元法建立了熊猫光纤光栅的压力传感模型,分析了压力变化所导致的内部应力分布.结果表明,熊猫光纤光栅双峰间距随着压力增加而增大,其快轴方向的压力灵敏度系数为-4.08 pm/MPa,其绝对值大于慢轴方向-3.5 pm/MPa.理论分析和实验测量了几何结构对压力传感特性的影响规律,结果表明,熊猫光纤光栅压力灵敏度系数与猫眼半径距离比的平方成线性关系.对比实验结果表明,无法通过测量熊猫光纤光栅双峰间距的方案实现对温度不敏感的压力传感测量.     

基于分布布拉格反射光纤激光器的压力传感器

介绍了一种基于单纵模分布布拉格反射(DBR)光纤激光器的新型压力传感器.该传感器基于拍频检测原理,其解调方法与传统光波长解调相比成本低且易实现.激光器谐振腔的增益光纤在应力作用下感生双折射从而导致单纵模激光器原本简并的正交偏振模式分离,互相差拍,产生1 GHz左右的拍频.对这种新型传感器进行了理论分析和实验论证,通过对0～1.2 N范围内压力进行传感检测,测得拍频为800~1200 MHz,曲线拟合度达到99.76 %.结果表明,该压力传感器不仅延续了光纤光栅传感器高灵敏度等优点.还可以看作是在原有光纤Bragg光栅传感技术的升级,以分布布拉格反射(DBR)代替光纤光栅作为传感基元,将无源传感升级为有源传感,以提高信噪比和传输距离.     

基于光纤光栅的结构体裂缝三维应变传感

利用光纤光栅的反射谱设计了一种用于混凝土纵向裂缝三维应变传感信号的检测及分析处理的方法.利用ANSYS软件自底向上采用构造法构建混凝土三维断裂模型,分析径向均匀作用力下光纤光栅三轴的应力大小,由三维受力模型拟合光栅传感器的三轴应变函数,给出径向作用力下x和y偏振方向谐振波长与三轴应力间的关系,并且由传输矩阵法计算三轴应力作用下光栅反射谱的变化规律;理论分析和模拟计算光纤光栅传感光谱反射峰的分裂规律.结果表明:在均匀的20N作用力下,10cm长光栅x偏振方向的波长偏移量最大值为10.1nm,y偏振方向的波长偏移量最大值为12nm,此时光纤光栅的谐振峰产生明显分裂,形成两个谐振峰,随着载荷的不断增大,两个谐振峰不断地向两边分开,反射峰的分裂点从短波长向长波方向移动,分裂出来的两个谐振峰中短波谐振峰的反射率高于长波谐振峰,但短波谐振峰的带宽小于长波谐振峰带宽;当光栅长度增加至15cm时,在相同的作用力下,光栅两个反射峰的半高宽度均增加,但两个反射峰的间距几乎不变,灵敏度达0.14nm/N.本文研究可将单根光栅结构传感器的二维传感扩展到三维传感.     

基于光纤光栅的螺纹管压弯扭测量技术

引入光纤光栅传感器,并结合螺纹管压弯扭分离测量理论,实现对螺纹管所受压力、弯矩和扭矩的测量.由测量结果可知,光纤光栅传感器测得压力与驱动电机上压力传感器测得压力基本相符,两者测得压力的差值为-11.4~15.5N;光纤光栅传感器测得弯矩与理论值基本一致,两者之间的差值为-0.54~0.46N·m;光纤光栅传感器测得扭矩与驱动电机上扭矩传感器测得扭矩基本相符,两者测得扭矩的差值为-0.54~0.87N·m.测量结果验证了光纤光栅传感器对螺纹管力学参数测量的可行性,为螺纹管的力学参数测量提供了一种新方法.     

聚酰亚胺(PI)薄膜用于光纤布拉格光栅湿度传感器的特性分析

研究了湿敏聚合物--聚酰亚胺(PI)薄膜用于光纤布拉格光栅湿度传感器的原理及应用,并对其传感特性进行了分析与测量.实验表明:镀有聚酰亚胺(PI)薄膜的光纤布拉格光栅的反射峰位置漂移量与湿度呈线性关系,容易标定,实现了对湿度的高精度测量.用这种材料制作的湿度传感器比其他类型湿度传感器性能优越.     

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm~(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10~(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.     

新型光纤布拉格光栅温度自动补偿传感研究

将光纤布拉格光栅斜向粘贴于厚度相等的等腰三角形悬臂梁的侧面，利用光纤光栅啁啾效应，通过测量带宽进行多种力学量的传感研究。理论和实验均证明，该传感装置具有温度自动补偿功能。在位移、应力等参量的传感实验中获得了很好的线性响应，位移和应力传感的灵敏度分别为2.47nm/mm和2.26nm/N，光纤光栅实验带宽达15.5nm。     

基于混沌光纤激光的准分布式布拉格传感网络

提出了一种基于混沌光纤激光器的准分布式布拉格光纤光栅传感系统,将波长可调谐的混沌光纤激光器作为传感光源,全同弱反射布拉格光纤光栅作为传感元件。利用混沌光源具有delta函数的自相关特性,将混沌源的参考光信号与从全同弱反射布拉格光纤光栅反射的光信号经光电探测器进行光电转换,结合相关法对参考光和反射光进行相关运算,根据相关峰的位置对传感器位置进行精确定位。利用混沌激光的可调谐性实现因应力作用而发生变化的全同弱反射光纤光栅的中心波长的解调,从而实现准分布式的传感网络。实验结果表明利用混沌激光可在单路光纤上复用全同弱反射光纤光栅实现传感,并有望实现密集型全同弱反射光纤光栅传感网络。     

一种新型FBG热式液体流量传感器

光纤布拉格光栅热式流量传感器目前只适用于气体流量,为扩大其应用领域,设计了一种可用于液体流量测量的新型光纤布拉格光栅热式流量传感器。该光纤布拉格光栅热式流量传感器使用陶瓷加热片以恒定功率提供热量,不同流量的液体经过传感器时带走的热量不同,通过检测光纤布拉格光栅中心波长的变化就可以测得传感器的温度变化,进而推导出液体流量大小。通过温度传感测试实验和流量传感测试实验,验证了所设计的传感器可用于液体流量测量。实验结果表明,该传感器的流量测量范围为40.575~550.664 L/h。