光纤双向应变-位移点式传感器

选择不同间距的基片自由端和不同长度的自由悬垂光纤研制了利用光纤弯曲损耗的光纤双向应变-位移传感器.该传感器可分别用于测量应变和位移.实验表明:悬臂梁上的应变标准误差约为～26 με.微位移架上的位移标准误差约～0.06 mm.基本满足建筑结构对测量精度的要求.     

基于U型弯曲光纤模间干涉的折射率传感

研究了去包层U型弯曲光纤的折射率传感特性.首先根据模间干涉理论,分析了U型光纤传感器的传感原理,指出干涉谱损耗峰波长与环境折射率和弯曲半径有关.利用单模光纤(SM-28)实验制作不同曲率半径的U型光纤传感器,把传感器的U型部分浸入不同折射率的液体中,研究其折射率传感特性.当U型光纤曲率半径为2.5~5.0mm时,传输光谱中均能观察到明显的模间干涉现象;当液体折射率从1.30RIU变到1.43RIU时,光谱损耗峰波长发生红移,且弯曲半径越大,折射率传感灵敏度越高;在曲率半径为5mm时灵敏度为207nm/RIU(折射率1.30~1.40RIU)和1 220nm/RIU(折射率1.40~1.42RIU).干涉峰的波形参量(半高宽、对比度)决定于包层模和纤芯导模之间的比例,当曲率半径为4mm时,损耗峰半高宽最小达3.2nm.综合半高宽和灵敏度两个参量,得出曲率半径4.5mm的U型光纤传感器品质因素最高,分别为43.1RIU-1(折射率1.30~1.40RIU)和191.2RIU-1(折射率1.40~1.42RIU),可直接由SM-28单模光纤制成,且制作工艺简单、成本低、机械强度高不需要任何特殊处理,具有很好的应用前景.     

剪扭作用下塑料光纤力光转换特性试验研究

为了研究滑开型和撕开型裂缝条件下塑料光纤的光学感知特性,分别进行了剪切和扭转作用下塑料光纤的力光转换特性试验.结果表明,在错动位移由0增加至0.5mm的过程中,光损耗值和菲涅尔反射值与错动位移呈近似线性关系,灵敏度分别达到15.6dB/mm和5.9dB/mm.塑料光纤内部的光损耗特性对剪切作用较敏感,而对扭转作用不敏感,光损耗水平保持在1dB左右.滑开型和撕开型裂缝条件下塑料光纤具有相似的光学感知特性,菲涅尔反射值和光损耗值都可以作为裂缝错动位移的监测指标,其中,光损耗水平变化幅度更大,对裂缝的感知更敏感.     

光子晶体光纤弯曲损耗特性研究

对光子晶体光纤的损耗特性进行了分析，并在实验上对两种典型的光子带隙型和全内反射型光子晶体光纤进行了研究.分别对两种不同结构的光子晶体光纤在弯曲半径2~15 mm范围内的损耗进行了测量.与传统光纤损耗实验结果的对比表明，两种光子晶体光纤的弯曲损耗均不明显，具有很强的抗弯曲损耗能力.实验也证实了光子晶体光纤弯曲损耗存在临界弯曲半径，在大于临界半径的情况下，几乎没有弯曲损耗.从结构上分析并证明光子晶体光纤弯曲损耗随填充比(d/Λ)的增加而减小，填充比越高弯曲损耗越小.     

具有温度补偿的光纤位移传感器

位移测量是结构健康检测的重要参量之一.本文提出了一种双悬臂梁粘贴光纤光栅的位移传感器,它将位移变化转换成两只光纤光栅的波长移动,实现对位移量的绝对测量.通过引入对称补偿光纤光栅的方法解决了温度与位移交叉敏感的问题.推导了位移传感器的工作原理,完成了相关实验,并分析了传感器所产生误差的来源.实验结果表明,在量程为20 mm的时候,位移灵敏度为123 pm/mm,温度补偿前,温度对位移的影响是234.9 μm/℃;温度补偿后,温度对位移的影响为17 μm/℃.本位移传感器量程大、线性好、准确度高,不易受恶劣环境影响.     

具有温度补偿的高精度FBG微位移传感器的设计、制作及性能研究

为克服现有光纤布拉格光栅传感器设计结构复杂、温补误差大等缺陷,设计并制作了一种基于弹簧与滑块相结合的结构简单且高精度光纤布拉格光栅位移传感器,在一根光纤上获得温度补偿的同时,实现了高精度微位移测量,极大的减小了空间占用。实验结果表明:该传感器具有优良的微位移测量能力,灵敏度为145.08 pm/mm,精度为1.43%,量程为10 mm;静态综合相对误差为2.88%,整体的线性度、重复性和迟滞性误差较小。比较铝合金衬底、石英衬底和无衬底的温补效果,发现石英衬底的传感器温度补偿效果更佳,其延迟时间从6.8 min下降到4.3 min,最大温度补偿误差从44 pm减少至40pm。最终采用石英玻璃作为衬底制成的传感器温度灵敏度为6.34 pm/℃,温补误差为0.26%。本文研制的传感器有望用于机械装备和土木工程等高精度结构位移的在线监测。     

等芯径等间距三光纤补偿式位移传感器的实验研究

介绍了补偿式光纤位移传感器的结构和原理,实验测量了等芯径等间距光纤位移传感器的输出特性和位移的关系. 结果表明:2根接收光纤各自的线性范围小,补偿后的光纤位移传感器不仅能改善测量的线性度,而且能在一定程度上放大传感器的线性测量范围. 补偿式光纤位移传感器采用等芯径等距离方式可以有效地消除光源输出强度波动、表面反射率不同和光纤传输损耗对输出特性的影响.     

大量程激光位移传感器的成像系统设计

为了解决目前国内自主研发的激光位移传感器基准工作距离短和测量范围小的问题,设计了一种适用于远距离测量的大量程激光位移传感器成像光学系统。基于激光三角测量原理,结合具体使用要求计算了大量程激光位移传感器的性能指标和成像光学系统的设计参数。选择5片式透镜结构作为系统的初始结构,利用光学设计软件对大量程激光位移传感器成像光学系统进行了仿真,完成了系统优化和性能分析,实现了基准工作距离为1 000 mm、量程为±500 mm、分辨率为0.4 mm的大量程激光位移传感器成像系统设计。结果表明,在测量范围±500 mm内,系统均可以满足成像质量要求。该激光位移传感器成像系统具有工作距离远、测量量程大、结构简单的特点,可满足1 000 mm远距离处大量程范围的测量使用要求。     

弯曲增敏型光纤曲率传感器机理的研究

近年国外出现一种直接检测弯曲的低成本光纤曲率传感器,采用弯曲增敏技术提高光纤对弯曲的灵敏度。这种传感器的线性范围宽,能区分正向弯曲和负向弯曲,在测量较大弯曲变形的场合更具优势;并且适合埋入结构内部检测,通过转换还可测量轴向应变。然而其传感机理方面的研究仍处于探索阶段。通过分析光辐射度余弦定律理论、回音壁光线理论、沟槽角度理论等国内外对该传感器机理的研究成果,并基于平面波导的光散射损耗理论,提出了光纤曲率传感器的机理。指出弯曲引起光纤敏感区表面散射损耗的改变是导致光传输损耗改变的原因;推导出损耗与光纤弯曲半径、表面特性、光纤结构参量关系的数学模型,并通过实验验证了模型的有效性。     

全光纤型微环谐振器的研制

环形谐振器因体积小、功能强、结构简洁等优点长期以来一直在光无源、有源器件的设计和制作中发挥着重要的作用。对光纤的弯曲损耗特性进行了深入分析,指出只有采用微细光纤才能降低全光纤法所制作的环形谐振器的尺寸,加宽器件的自由光谱范围(FSR)获得更好的精细度和品质因子。然后,在改进熔融拉锥技术的同时,保持慢变、绝热条件拉制出在80 mm长度范围内具有良好均匀性、半径为5μm的高质量微细光纤,在此基础上采用自缠绕法研制出半径仅为500μm,谐振效果明显加强的全光纤型微环谐振器,从而很好地解决了集成型微环谐振器较高的弯曲损耗和连接损耗问题。     

基于椭圆位移放大结构的光纤光栅位移传感器

针对采用悬臂梁或变形圆环作为光纤光栅位移传感器的弹性形变结构时,位移灵敏度较低的问题,采用新型的椭圆位移放大机构对位移探杆的微小位移量进行放大,改变椭圆放大器的机械尺寸调整传感器的位移分辨率.当椭圆位移放大机构的长度为60mm,宽度为19.8mm,中间最大宽度为30mm时,探杆的机械位移放大倍率约为2倍.当量程变化为0~100mm时,实验测得光纤光栅位移传感器的分辨率为6.1pm/mm,位移量和对应波长移动线性相关系数为0.998 52.适于机械装备和土木工程的结构位移高精度在线监测.     

保偏光纤偏振器

利用保偏光纤的弯曲损耗特性绕制而成的光纤偏振器已有过报道。但文献[1]中报道的偏振器尺寸太大(φ=100mm),不利于光纤陀螺的小型化。本文介绍一种采用“熊猫”型光纤制成的偏振器,其尺寸较小(φ=30mm),消光比可达到33dB。     

偏芯光纤弯曲特性分析

根据光纤传输理论建立了偏芯光纤理论计算模型.采用保角变换方法将偏芯光纤不对称的三层结构转换成同轴对称的三层结构,得到关于传播常量的特征方程,给出了偏芯光纤弯曲损耗公式.仿真分析了偏芯光纤弯曲损耗和弯曲半径之间的关系,结果表明当弯曲半径达到3mm时,弯曲损耗几乎为零,同时得到弯曲损耗随偏芯距离的变化关系.运用Rsoft软件中的BeamPROP模块建立偏芯光纤弯曲的光学模型,模拟仿真了弯曲的偏芯光纤中模场分布情况.仿真结果表明,偏芯光纤的弯曲方向与纤芯偏移中心轴线方向相同的弯曲损耗小于反方向的弯曲损耗.     

面向边坡滑移的剪切位移传感装置

基于光纤布喇格光栅传感监测原理,设计了一种用于岩土滑坡监测的剪切位移传感装置.在等强度悬臂梁上粘贴光栅构成位移传感器,位移传感器被嵌入Φ50的聚氯乙烯树脂管中,Φ50聚氯乙烯树脂管外套Φ70聚氯乙烯树脂管,在两管之间浇筑1:1的砂浆.通过室内模拟剪切测试,该装置对剪切位移测量为30mm,初测精度为0.5mm,其对30mm位移传感转变成光栅波长变化量为1 200pm.该装置灵敏度高、稳定性好、测量范围大、线性好、结构简单,可用于滑坡以及野外岩土结构工程等进行长期有效的监测.     

准晶体结构光纤表面等离子体共振传感器特性研究

光纤表面等离子体共振传感器在高灵敏度传感和在线实时监测等领域具有重要意义. 设计了一种六重准晶体结构环形通道光纤表面等离子体共振传感器, 基于有限元法对该传感器的传感特性进行了数值模拟. 研究了光纤各结构参量对传感器特性的影响规律. 研究结果表明: 待测液折射率的有效监测范围为1.25–1.331, 最高灵敏度可达26400 nm·RIU^-1, 传感器具有损耗谱杂峰少、探测范围广、灵敏度高、设计灵活性高和光路可弯曲等特点, 在生化检测、公共安全、环境污染监测以及高灵敏度传感等领域具有广泛的应用前景.     

塑料光纤在裂缝监测中的性能

针对普通石英光纤质地较脆,应用在结构裂缝监测中易发生断裂的现象,本文运用塑料光纤代替普通石英光纤进行结构裂缝监测,并且考虑复合材料裂缝开裂方向的不确定性,对塑料光纤及其裂缝监测能力进行了研究.设计了一套塑料光纤传感装置,并通过裂缝模拟装置来研究塑料光纤分别与裂缝呈30°、45°、60°夹角时,光损耗与裂缝开度的关系.实验结果表明,随着裂缝的开展,光损耗逐渐增加;纤芯直径为0.5mm时最大光损耗幅值为78.76μW,而纤芯直径为0.25 mm时,最大光损耗幅值只有24.28μW,纤芯直径较大的光纤在微弯时易发生较大的光损耗.塑料光纤传感装置在结构裂缝监测中应用是可行性的,而且塑料光纤裂缝传感器的灵敏性随着方位角的增加而降低.     

光纤传感器位移和转速测量研究

介绍光纤传感器的测量原理,并对位移和转速测量进行研究,利用matlab软件对位移测量结果进行曲线拟合,且将光纤传感器和电涡流传感器的转速测量结果进行比较,最后得出利用光纤传感器进行测量具有电路结构简单、精度高、光路弯曲等优点。     

具有温度补偿的光纤位移传感器

位移测量是结构健康检测的重要参量之一.本文提出了一种双悬臂梁粘贴光纤光栅的位移传感器,它将位移变化转换成两只光纤光栅的波长移动,实现对位移量的绝对测量.通过引入对称补偿光纤光栅的方法解决了温度与位移交叉敏感的问题.推导了位移传感器的工作原理,完成了相关实验,并分析了传感器所产生误差的来源.实验结果表明,在量程为20 m...     

带隙型光子晶体光纤微观弯曲传输损耗特性分析

空芯光子晶体光纤由于独特的结构,具有不同于传统光纤在弯曲状态下的光传输特性。对空芯带隙型光子晶体光纤的微观弯曲损耗特性进行研究,利用改进型微弯器使光纤获得不同外力和弯曲条件下的响应,测量其传输谱。实验上分析了波长、压力、微弯振幅和微弯周期等因素对于光纤传输损耗的影响,利用模式理论分析给出了微弯损耗产生的原因。结果表明,带隙型光子晶体光纤的抗微弯能力强,由于表面模式的存在,在1520～1620nm波段内光纤微弯损耗随波长的增加而增大。带隙型光子晶体光纤的弯曲损耗随微弯振幅增大而增大,并且在一定范围内损耗随微弯空间周期的增加而增大,但当微弯周期超过一定的临界值时其损耗随之减小;微弯状态下光纤的表面模式、包层模式与损耗密切相关。     

可用于建筑结构检测的分布式光纤形变片

本文在光时域反射计（OTDR）和光纤形片的基础上,提出了一种分布式光纤传感器－分布式光纤形变片,该检测方法属于OTDR的损耗调制法,即通过测量粘贴于光纤形变片上的光纤弯曲损耗来获取测量点的应变量或位移量,作者分别在微位移架和悬臂梁进行了位移检测和应变检测,结果表明该分布式光纤形变片提供了一种可检测应变量与位移量的检测方法,值得注意的是,该分布式光纤形变片的传感网络采用时分复用的总线拓扑,能在一根光纤上同时检测多个检测点的变化。