π相移光纤光栅水听器的超声波传感指向特性

π相移光纤光栅因具有较短的有效光栅传感长度,近年来成为了超声传感领域的研究热点.本研究旨在探究π相移光纤光栅作为水听器应用时对超声波的指向性特性.选取π相移光纤光栅作为超声传感单元,先基于分层介质的声传播理论计算出水中超声波入射时光纤纤芯的应变,再运用基于光学耦合模方程的传递矩阵法计算反射光谱得到光波长偏移.将角度-频率空间分为三个区域,计算了声波频率在1—10 MHz时不同角度下的应变结果和光波长偏移响应特性,并开展了实验研究.结果表明,理论和实验结果具有较高的一致性,π相移光纤光栅在超声波垂直光纤入射时响应最大,随声波入射方向与光纤法向间夹角的增加,π相移光纤光栅的声响应先急剧下降,后在水中直达声波和光纤中导波叠加时出现极大值.此外,π相移光纤光栅的声响应随声波频率增加而降低.本研究对π相移光纤光栅在超声传感中的实际应用具有重要意义.     

基于圆环形薄壁截面梁的光纤光栅传感研究

提出将圆环形薄壁截面梁应用于光纤光栅传感，用一个光栅实现了对温度与应力的同时区分测量；对圆环形薄壁截面梁的应变进行了理论与实验分析，结果表明圆环形薄壁截面梁各点应变与该点角度的二倍呈余弦变化关系. 关键词： 光纤光栅传感 圆环形薄壁截面梁 啁啾     

基于光纤Sagnac传感技术的结构冲击定位

冲击定位可为结构冲击损伤提供准确的位置信息。基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器存在解调频率低、需要训练样本等缺点,提出了一种利用光纤Sagnac传感技术实现结构冲击定位的方法。基于此方法的传感系统主要由宽带光源、光纤Sagnac干涉仪、光探测器以及数据采集与处理单元构成。当粘贴在结构表面的传感探头受到冲击应力波作用时,Sagnac干涉仪相位受到调制,从而导致输出的光强发生变化,通过光探测器将光信号转换为电压信号输出。首先,对传感系统采样的时域信号进行小波降噪和去直流干扰处理,再利用Db4小波包进行能量特征提取与信号重构,并获取应力波到达2端的传感器的时间,最后利用时差法进行冲击定位。为了验证该冲击载荷定位系统的有效性,对长度为100cm的钢管结构进行了35次低速冲击实验。结果表明,该方法可以有效地识别冲击位置,最大定位误差和最大均方根误差分别为0.65cm和0.36cm。研究结果可为结构冲击定位提供另外一种可靠的方法。     

π相移光纤光栅对超声波致非均匀应变场的传感特性

π相移光纤光栅用于水中超声传感时,超声波沿光纤轴向入射和垂直光纤入射时的传感波形及幅度显著不同。针对这一现象,本文建立了基于光学传递矩阵的光纤光栅声传感理论模型,计算了超声波分别沿轴向和沿垂直方向入射时π相移光纤光栅中的非均匀应变场分布,进而分析了光谱偏移,揭示了两种入射角度下π相移光纤光栅的传感特性与声传播导致的应变场分布相关,并通过实验进行了验证。结果表明,两种入射角度产生的不同的非均匀应变场分布对π相移光纤光栅的传感特性影响明显。超声波垂直入射时的传感波形和幅度均优于轴向入射,且π相移处对传感有显著作用。当入射位置远离π相移处时,垂直入射的响应也明显降低。本研究可为π相移光纤光栅超声传感的机理分析提供参考。     

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.     

基于光纤光栅传感的金属薄板超声探测

搭建了光纤光栅检测超声应力波系统,并阐述其工作原理,以动态应变与光纤光栅中心波长漂移量间关系为基础,推导得出输出电压与板中应变成线性关系.采用超声信号发生器发射28kHz的脉冲信号激励超声振子,通过有机玻璃楔形块将激励传递至5052铝合金薄板产生超声应力波,并利用光纤光栅应变传感器对其进行探测.在板上开一98mm长裂缝,测得超声应力波中出现新的波包,通过计算损伤前后新增波包到来的时间差确定裂缝位置,所测结果与实际位置偏差为2.7mm.该实验表明光纤光栅可代替超声探头来实现对低频超声波的探测.     

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。     

螺旋线慢波结构夹持性能测试方法研究

提出了一种由螺旋线慢波结构热分布特性来获知其夹持性能的方法. 设计了基于光纤光栅和热电偶的分布式温度测试平台, 计算和分析了光纤光栅等测温元件对慢波结构散热特性的影响. 搭建了实验系统, 研制了分布式微型光纤光栅温度传感阵列, 并对某型X波段行波管慢波结构进行对比测试. 结果表明, 实验获得的温差曲线可准确判别慢波结构夹持性能的优劣, 且不破坏器件结构与性能. 关键词： 慢波结构 夹持特性 散热能力 光纤光栅传感阵列     

基于光纤光栅传感的化学镀膜过程本征应力监测

为了研究化学镀膜过程中本征应力的演变过程,建立了基于光纤光栅传感的本征应力计算模型,提出了一种监测化学镀膜过程本征应力演变的方法.通过记录光纤光栅中心波长的偏移量,结合裸光栅进行补偿,实现了在线监测化学镀膜过程产生的本征应力.使用光纤光栅传感器对化学镀Cu过程中本征应力进行监测.结果表明:在化学镀Cu过程中,光纤光栅中心波长蓝移,本征应力表现为压应力,且本征应力随时间的增加而增大;监测光栅的压力灵敏度为4.10 pm/MPa,监测准确度可达到0.24 Mpa.     

Fiber optic liquid leak detection technique with an ultrasonic actuator and a fiber Bragg grating

We present a technique for liquid leak detection in which ultrasonic and optical waves are introduced into a fiber simultaneously. The system is based on an ultrasonic technique using an ultrasonic actuator and a fiber Bragg grating receiver. A fiber-guided ultrasonic wave is utilized to stress the fiber Bragg grating, which is remote from the ultrasonic transmitter. When the traveling ultrasonic wave encounters a liquid, part of the wave will leak out from the fiber, which results in an ultrasonic strain decrease in the fiber Bragg grating. The ultrasonic wave and its attenuation are detected by the light variation of a narrowband laser source reflected and transmitted from the fiber Bragg grating, and the amplitude variation of the ultrasound can eventually be correlated with the fiber area coupled with the liquid.     

非轴向力下埋入式光纤传感器应变传递分析

利用剪滞法建立了当光纤光栅传感器的轴线和基体主应力的方向成一定角度时,光纤光栅传感器的测量应变与基体结构实际应变之间的关系,进而得出了光纤光栅传感器的平均应变传递率的一般公式。采用裸光纤光栅传感器进行实验,在倾斜角度α为30.72°时,实验所得的波长变化之比分别为:0.727,0.738,0.746;理论计算所得的波长变化之比为0.739,相对误差都在2%以内。同时分析了埋设角度偏差对测量结果的影响。研究结果表明,非轴向力作用下光纤光栅传感器的应变与结构基体应变之间的传递关系与其在轴向力作用下存在明显的区别,埋设角度的偏差会给测量结果造成一定的误差。     

光纤布拉格光栅电流传感的理论和实验研究

对皮磁致伸缩棒调谐光纤布拉格光栅为基础的新型电流传感器进行了理论和实验研究。将一个光纤布拉格光栅牢固地粘贴在一置于多层螺线管中心部分的磁致伸缩棒上，构成传感头。当通过螺线管的电流改变时，磁致伸缩材料在均匀磁场的作用下产生沿纵向的应变并传递到光纤光栅上，从而导致光纤光栅的布拉格波长移动。外加电流和波长移动之间的关系是线性的，线性调谐的波长范围为0.9nm，电流强度范围为900mA，灵敏度约为1000mA/nm，电流强度可精确到10mA。理论和实验符合得很好。     

光束发散度对紫外写入光纤光栅的影响

用傅里叶衍射光学分析了准分子激光束发散度对于光纤光栅制备的影响，发现光束发散角使光纤光栅的布拉格波长发生改变，相位版后干涉场沿光纤轴向和径向不均匀，对制备30dB高反射率光纤光栅造成困难。实验结果与理论分析基本一致，相对于理想平行光束情况，会聚光束使得光纤光栅布拉格波长出现在短波一边，发射光束使得光纤光栅布拉格波长出现在长波一边。     

Acousto-optic superlattice modulator using a fiber Bragg grating

A modulator is reported in which an extensional acoustic wave is launched along a fiber Bragg grating. The acousto-optic superlattice effect causes an enhancement in reflectivity within a narrow spectral region on both sides of the Bragg wavelength. For a fixed acoustic propagation direction, the Doppler shift can be either positive or negative, depending on whether the wavelength of the incident light lies above or below the Bragg condition. The device can function as a Bragg cell and a tunable filter.     

用于光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔的改进的Rouard算法

比较了光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔的极限法、平衡法及传输矩阵法3种算法,证明了它们是一致的,指出了光纤布拉格光栅复振幅传输矩阵的相移特性对法布里一珀罗腔透射率的影响.对计算任意折射率调制的光纤布拉格光栅的Rouard算法进行了改进,在分层方法中考虑了折射率分布初始相位的影响,获得了更为准确的反射复振幅相位特性,将该结果应用于计算光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔,得到了光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔具有多峰结构的透射谱,并经过实验验证了该理论的正确性.     

双套管式光纤Bragg光栅温度传感器

研制了一种双套管式光纤Bragg光栅温度传感器,以实现无外力作用的温度测量。其中外套管隔离外加应力应变,在内套管内松弛地放置光栅以隔离封装结构的表观热应变。引入引出尾纤穿过带孔螺栓,以探测多个串联光栅。为了避免光栅处于张拉状态,封装在外套管1、外套管2和内套管中的光纤余长应分别大于1.4mm,1.8mm和0.4mm。试验结果表明,该光栅传感器的温度响应灵敏度为9.671×10-3nm/℃,温度测量分辨率为0.1℃。当水温从20℃跃变到70℃时,该传感器的温度响应时间分别为t0.5=15±2s和t0.9=52±4s。当水温从70℃跃变到20℃时,该传感器的温度响应时间分别为t0.5=26±9s和t0.9=63±8s。     

探测氢气泄漏的布拉格光栅型传感器

介绍了布拉格光栅型氢传感器的工作原理,开发出一种新型的由布拉格光栅和溅射钯膜组成的氢气敏光纤传感器。分析了此传感器的应力传递过程,建立了最大波长漂移量与氢浓度关系的数学模型。通过试验研究了光栅的氢响应特性,理论模型预测的最大波长漂移量与试验结果十分吻合。     

基于超磁致伸缩材料的光纤光栅调谐范围研究

研究了基于超磁致伸缩材料实现对光纤布拉格光栅的动态调谐这一方案理论上可获得的最大调谐范围．利用超磁致伸缩换能器的输出特性，进行了超磁致伸缩换能器用于光纤布拉格光栅调谐的实验研究．分析了实验中影响可获得调谐范围的各种因素，如实际可获得的超磁致伸缩材料的特性、光纤布拉格光栅的特性以及换能器结构的设计．进一步讨论了在理论界限的前提下改进该方案可获得调谐范围的措施，并以施加预应力为例进行了实验验证．结果表明，通过给予超磁致伸缩材料合适的预应力，可以较明显地改善最大调谐范围．