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.     

铝槽封装光纤光栅传感器的增敏特性研究

提出了一种光纤布喇格光栅的铝槽封装工艺,并对铝槽封装光纤光栅传感器的应变与温度传感特性进行了实验研究和理论分析.与裸光纤光栅的测试结果比较表明,铝槽封装工艺基本不改变光纤光栅应变传感的灵敏性,但是温度灵敏度系数提高了3.5倍.经过该工艺封装的光纤光栅可以探测识别0.2 με的应变与0.02℃的温度变化.     

一种新型双参量光纤布喇格光栅传感器的研制

介绍了一种新型的具有双参量测量功能的光纤布喇格光栅传感器.该传感器采用了特殊的结构,安装了两个不同中心波长的光纤布喇格光栅,可以实现两曲面之间狭小间隙的微小位移和温度的同时测量.实验表明,该传感器结构紧凑、体积小,具有良好的重复性和稳定性,位移测量误差不超过±10 μm,温度测量误差不超过±2℃.     

可双参量同时测量的光纤磁场传感器

设计并制作了一种马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)与光纤布喇格光栅级联的光纤磁场传感器,其中MZI由相当于分光器的锥结构和相当于耦合器的花生锥结构级联组成,封装在填充了磁流体的毛细管中.由于磁流体的有效折射率会随着外界磁场强度的改变而变化,故可通过观察干涉谱的特征波长的变化来测量外界磁场强度,而光纤布喇格光栅透射峰对磁场强度不敏感.当磁场强度由0mT变化到20mT时,马赫-曾德尔干涉峰的灵敏度为0.11nm/mT.温度特性实验测得马赫-曾德尔干涉峰和光纤布喇格光栅透射峰的温度灵敏度分别为0.401 5nm/℃和0.011 4nm/℃.因此,可利用敏感矩阵实现双参量同时测量.     

可双参量同时测量的干涉型全光纤传感器

提出并制作了一种马赫增德干涉仪级联光纤布喇格光栅的全光纤传感器,其中马赫增德干涉仪由两个球形结构组成,起分光器和耦合器的作用.分析了各项结构参量对灵敏度的影响,结果表明马赫增德干涉峰和光纤布喇格光栅的透射峰对不同参量的灵敏度不同.实验测得马赫增德干涉峰对温度、折射率和液位的灵敏度分别为0.072 45nm/℃、87.65nm/RIU和0.029 714nm/mm;光纤布喇格光栅透射峰对温度的灵敏度为0.009 89nm/℃,但对折射率、液位不灵敏,因此可利用敏感矩阵实现双参量同时测量.该传感器可广泛应用于化学、生物和制药等领域.     

测量光纤有效弹光系数的一种新方法

针对目前许多新型光纤有效弹光系数测量的需要,报导了用光纤布喇格光栅(FBG)传感器测量光纤有效弹光系数的新方法。用一个温度参考光栅、一个测量光栅和一已知膨胀系数的材料,结合光纤布喇格光栅的特有性质进行了测量。建立了实验系统,实验结果表明,系统可以有效地解决温度与应变对光栅存在交叉敏感的问题,成功地测出了光纤有效弹光系数,测量误差小于1.3%。     

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.     

基于喇曼/掺铒光纤混合放大的长距离布喇格光栅传感器系统

提出了一种提高长距离光纤布喇格光栅信噪比以进行准分布测量的新方法.本方法基于双向喇曼放大和双掺铒光纤结构,喇曼光纤放大器对布喇格光栅信号进行低噪音的双向放大,置于远处的掺铒光纤利用剩余的泵浦功率产生自发辐射光和放大传感信号,为第二段掺铒光纤之后的远处布喇格光栅传感器提供光以及补偿由于长距离传输造成的光纤损耗.实验显示传感器系统的性能得到显著提高.使用功率为240 mW的单个普通泵浦,分布在50 km光纤上的FBG均可获得15 dB的良好信噪比,比混合放大前提高了10 dB.     

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.     

用于光纤光栅压力传感器的一种新型布喇格波长调解系统

介绍了一种基于双光纤布喇格光栅实现波长解调的高准确度、低成本光纤光栅压力传感器．在外界压力下，传感光纤布喇格光栅的反射波长产生漂移，其漂移量被粘贴在以一定频率上下扫描的等强度悬臂梁上的匹配光纤布喇格光栅调制为系统输出时间脉冲序列的脉冲宽度．实验结果表明：该解调技术的波长测量范围为0～3nm，波长测量的不确定度为1pm，对于量程为0～6MPa的压力传感器其测量的不确定度为0．005MPa．     

一种新颖封装的耐高温光纤Bragg光栅温度传感器

分析了光纤Bragg光栅的传感原理，将光纤光栅置于细钢管通过一种耐高温胶粘结细钢管两端使光纤光栅在高温下不脱落，并通过细钢管上的中间螺纹给光纤光栅施加预应力，使光纤光栅在温度变化过程中一直保持张紧状态，保证传感器有很好的重复性和良好的线性.实验结果表明:该FBG光纤光栅温度传感器灵敏度为0.0252 nm/℃，有良好的重复性和线性，温度测量范围达200℃以上，可应用在高温环境测量温度的变化.     

基于FPGA和DS18B20的温度光栅的波长标定方法

提出了一套基于FPGA(fiber-Bragg-grating)和DS18B20的温度布拉格光栅的波长标定方法。基于DS18B20对外界温变的实时响应特性,将数字温度传感器DS18B20与连接了光谱仪的温度光纤布拉格光栅FBG置于同一温度场中,以现场可编程门阵列FPGA(field-programable-gate-array)作为数据处理和控制芯片,设计了通过串口发送智能指令对温场变化的实时监控和显示系统。方法中不需要温箱进行恒温控制,降低了FBG波长标定的成本及功耗。实验表明,标定出的波长-温度曲线线性度为0.999,测得光栅的温度灵敏度系数为9.899 pm/℃,与用恒温箱测得的结果10.468 pm/℃相差0.569 pm/℃,在系统允许误差0.619 pm/℃范围内,验证了该方法的准确性。     

双悬臂梁光纤Bragg光栅应力传感器

报道了一种新颖的光纤Bragg光栅应力传感器.理论分析和实验证明了这种传感器Brrag光栅中心波长随应力变化的线性工作区.将光纤Bragg光栅贴于双悬梁的梁端面,在双悬梁的自由端部施加载荷,对光纤Bragg光栅的应力响应特性测试.当所加载荷为300 g时,光纤Bragg光栅中心波长变化了0.156 nm.从实验上获得了－0.05 nm/N的应力响应灵敏度.该结构具有应力增敏作用,且应力响应的线性、重复性和迟滞性较好.应力响应灵敏度随着梁的大小以及材料的力学参量的改变而改变.     

基于光纤布拉格光栅与长周期光栅并联的集成光学传感器

为了提高光纤传感器的性能和进一步缩小传感器的尺寸,通过实验制备出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)与长周期光栅(LPG)并联的新型集成光学传感器。该传感器中的FBG和LPG是利用飞秒激光直写技术直接在普通单模光纤中刻写的。FBG和LPG是并联关系,因此很大程度地缩小了传感器的长度。外界的温度和折射率的变化会引起FBG和LPG的谐振峰波长位置发生变化,据此对该集成传感器进行温度和折射率测量。实验结果表明:FBG谐振峰对折射率和温度的灵敏度分别为0 nm/RIU和12.98 pm/℃,而LPG在1 555 nm附近谐振峰对折射率和温度的灵敏度为196.46 nm/RIU和10.93 pm/℃。因此,根据双参数传感矩阵,该传感器可以对温度和外界折射率进行同时传感。     

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。     

保偏光纤光栅温度传感性能的实验研究

在经过氢敏化处理的保偏光纤上制作了中心波长在1300 nm窗口的光纤布拉格光栅，并对这种保偏光纤布拉格光栅的温度传感特性进行了实验研究与理论分析。结果表明这种光栅可以用作温度传感器，对温度进行测量。和普通的标准单模光纤布拉格光栅一样，它对温度的响应具有很好的线性关系。本实验结果还可以作为对保偏光纤光栅传感特性进一步深入研究的参考。     

大范围光纤布拉格光栅温度传感器增敏实验研究

简要分析了光纤布拉格光栅的温度响应及增敏原理,采用特殊耐高温有机聚合物对光纤光栅进行温度增敏封装,并通过改进光纤光栅的聚合物封装固化工艺,使用某种有机硅导热胶减小有机聚合物与套管材料的粘合度,消除了封装过程中由于聚合物材料不均匀收缩引起的光纤光栅反射谱啁啾化,实现20～180℃范围内光纤光栅传感器对温度高灵敏度测量。实验结果表明．聚合物封装光纤光栅传感器温度响应灵敏度在20～130℃为0．05nm／℃,在130～180℃达到了0．22nm／℃,并在两个区域保持较好的线性与重复性。此结构传感器封装工艺简单,易于实现,可用于高温恶劣环境下的温度单参量测量。     

改善波形并增敏的光纤光栅温度传感技术

选用热膨胀系数较大的聚合物和某种偶联材料,采用特殊工艺用其对裸光纤光栅进行封装,消除了封装过程中所带来的光纤光栅啁啾现象,极大地改善了光纤光栅反射波的波形,提高了封装测试过程的重复性,为波长解调解决了一大难题.在30.6℃~120℃范围内,测量过程中波形很好并几乎不变,温度灵敏度为0.1173 nm/℃,温度分辨率为<0.43℃,比裸光纤光栅增加了11倍;平均灵敏度增敏倍数γ′=10.34,与理论计算灵敏度增敏倍数γ=10.76符合得比较好.聚合物封装光纤光栅的温度响应曲线具有很好的线性.