高灵敏度双光纤布拉格光栅应变传感实验教学系统

设计了基于双光纤布拉格光栅(FBG)的高灵敏度应变光纤传感实验教学系统.两只具有不同反射中心波长(1 546.209 nm和1 541.713 nm)的FBG串联熔接后,分别黏贴于等强度悬臂梁的上表面与下表面.通过测量两只FBG的反射中心波长差值与等强度悬臂梁应变量的关系,实现对应变量的传感测量.仿真结果显示,双FBG应变传感的灵敏度为单FBG应变传感的2倍,且具有温度自补偿特性.实验结果验证了仿真分析的结论,测得双FBG应变传感的灵敏度为2.10 pm/με,且传感测量准确性不受环境温度变化影响.     

基于等应变梁的光纤光栅静电电压传感器

为了实现静电电压表的精确测量,提出了一种基于等应变梁和光纤布拉格光栅(FBG)的静电电压传感器。在一定温度范围内,由双FBG的结构方案实现了传感器的温度自补偿,通过对等应变梁的仿真分析和传感器系统的电场仿真,优化设计和制备了传感器结构系统。利用一对平板电极产生匀强电场,在静电力作用下等应变梁上的导体半球受力致使等应变梁发生变形,使得两个FBG反射光谱的中心波长产生偏移,通过FBG的波长差实现了电压的测量。实验结果表明:该传感器可实现5~24 k V直流(DC)高压和交流(AC)高压有效值的测量,5~12 k V的计算精度为2.1%,12~24 k V的计算精度为0.89%,传感曲线的拟合度为0.99985,基本满足高电压测量系统的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。     

基于等应变梁的光纤光栅静电电压传感器EI北大核心CSCD

为了实现静电电压表的精确测量,提出了一种基于等应变梁和光纤布拉格光栅（FBG）的静电电压传感器。在一定温度范围内,由双FBG的结构方案实现了传感器的温度自补偿,通过对等应变梁的仿真分析和传感器系统的电场仿真,优化设计和制备了传感器结构系统。利用一对平板电极产生匀强电场,在静电力作用下等应变梁上的导体半球受力致使等应变梁发生变形,使得两个FBG反射光谱的中心波长产生偏移,通过FBG的波长差实现了电压的测量。实验结果表明：该传感器可实现5~24 k V直流（DC）高压和交流（AC）高压有效值的测量,5~12 k V的计算精度为2.1%,12~24 k V的计算精度为0.89%,传感曲线的拟合度为0.99985,基本满足高电压测量系统的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。     

基于光纤光栅的一体式靶式流量传感技术

针对以往液压系统检测中存在的特点,如结构杂、体积大、精度低,设计了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的一体式靶式流量传感器。分析了FBG及靶式流量传感原理,设计出一种组成紧凑、便于密封以及拆装的一体式靶片,将放在流体里的靶片受到的与流速成相关变化的冲击力变为FBG波长的漂移,双FBG对称分布,分别放在悬臂梁两表面中轴线处,这种差动形式可以很好地增加灵敏度,并且可以解决应变和温度的交叉敏感现象。通过FLUENT分析了流体形式,结果显示这种结构给流体造成的影响比一般结构小。实验测试过程中,双FBG中心波长总变化数值和放置于靶片的质量呈现出明显的线性变化,并且灵敏度为一个FBG灵敏度的双倍,可靠性以及稳定性较好。     

波长检测技术在温度测量中的应用

提出一种波长检测技术实现温度测量的方法,利用FBG传感器对温度等物理量实施监测,具有测试精度高,应用场合不受限制等特点,当环境参数发生变化时,光纤光栅的有效折射率和光栅周期会受到影响,将引起光纤光栅峰值波长的偏移,依据反射光谱结构的变化,可知道其温度的变化趋势。实验测试结果表明,在温度变化0.1°,波长变化1pm,温度和波长具有良好的线性关系。     

基于反射光谱特征辨识的光纤气压与温度集成监测方法

针对飞行器机载环境多参量综合测试需求,研究了一种基于反射光谱特征辨识的光纤布拉格光栅(FBG)气压与温度集成监测方法,给出了基于膜片式结构的双参量传感机理及其理论模型。采用基于耦合模理论的OptiGrating软件,得到不同气压与温度条件下光纤布拉格光栅传感器仿真反射光谱。在此基础上,借助弹塑性和恢复性能优良的平膜片感压机构,构建了膜片式双光纤气压/温度集成监测模型。研究表明,恒温条件下应变传感光纤光栅反射光谱随气压增加而逐渐向短波方向偏移,其中心波长灵敏度约为0.803 0 nm·MPa-1,且反射谱主峰及其旁瓣峰值均随气压变化呈现良好线性关系;当气压恒定而温度变化时,处于仅感温不受力状态的温度传感光纤光栅反射光谱中心波长灵敏度约为9.39 pm·℃-1;当气压与温度交叉变化时,能够实现对变温条件下的微小气压变化实时监测。传感光纤光栅受非均匀应变效应反射光谱存在一定啁啾现象,其反射光谱旁瓣峰值波长随环境温度、气压变化均会发生偏移,具有良好线性关系,且在不同气压下反射光谱对应的同一阶数旁瓣峰值幅度相等。该研究能够为航空航天器系统多物理参量在线综合测试提供有益帮助。     

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。     

双长周期光栅调制的光纤光栅光谱分析及其在智能结构监测中的应用

提出一种双长周期光栅(LPFG)调制光纤Bragg光栅(FBG)传感器光谱的方法。双LPFG是由两个中心波长一致的LPFG构成,FBG反射光谱位于双LPFG透射光谱的线性范围内。在对FBG及双LPFG光谱分析的基础上,利用双LPFG的带阻滤波特性,获得FBG反射光经双LPFG调制后的出射光谱并进行分析。将FBG粘贴于钢梁表面,当钢梁产生弯曲应变时,FBG光谱的中心波长发生偏移,经双LPFG调制的FBG光谱的峰值随之变化,引起双LPFG出射光强的变化。采用光电探测器监测经双LPFG调制后FBG的输出光强,得滤波后光强与FBG中心波长变化成线性关系,可探测的材料(钢梁)最小应变为1.05 με。将该方案应用于光纤智能结构冲击监测中,采用摆锤冲击法对四边固支碳纤维板(CFP)试件进行冲击,利用FBG测量板结构的冲击响应信号,系统采集到的动态信号时域波形及频谱与电涡流位移计的测量结果吻合得很好, 实验结果表明采用该调制、解调方案测量结构的冲击响应是可行的。研究结果为FBG在光纤智能结构动态监测领域提供了实验参考。     

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。     

光纤光栅的双向温度/波长调谐技术研究

为了对光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG) 的中心反射波长进行双向调谐,提出了采用半导体致冷器、热敏电阻配合控制电路对FBG的工作温度进行双向精确控制实现温度/波长调谐的方法,讨论了温度/波长调谐的实现技术,并研制了FBG双向温度调谐器样品.在0℃、20℃、40℃环境温度条件下对调谐器进行了范围为－20℃~60℃、步进为10℃的温度扫描测试.实验结果表明：FBG调谐器的中心反射波长与设定的温度有较好的线性关系,除波长外其它光栅特性基本不随调谐温度改变;调谐装置准确度优于0.05 nm,且受环境温度变化的影响较小.     

荧光光纤光栅传感特性的实验研究

在载氢掺铒光纤上写入Bragg光纤光栅，得到新型光子学器件-荧光光纤光栅.分别对其Bragg波长（λB）及荧光寿命（τ）的温度（T）及应变（ε）响应特性进行了实验研究，并且给出了λB和τ分别关于（T，ε）的拟合方程.实验结果表明：荧光光纤光栅的λB对T和ε的响应具备一般Bragg光纤光栅的优良特性，测得温度灵敏度为11.1pm /℃，应变灵敏度为1.19pm/με；而且τ对T和ε的响应也具有良好的线性关系，温度灵敏度为0.59 μs/℃，应变灵敏度为6.16 ns/με.实验结论为解决温度应力交叉敏感、实现温度应力的同时监测提供一条新颖的途径.     

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.     

Sensing properties of fiber Bragg gratings in small-core Ge-doped photonic crystal fibers

We report about fiber Bragg gratings (FBGs) inscribed in two different types of small-core Ge-doped photonic crystal fibers with a UV laser. Sensing properties of the FBGs were systematically investigated by means of demonstrating the responses of Bragg wavelengths to temperature, strain, bending, and transverse-loading. The Bragg wavelength of the FBGs shifts toward longer wavelengths with increasing temperature, tensile strain, and transverse-loading. Moreover, the bending and transverse-loading properties of the FBGs are sensitive to the fiber orientations. The reasonable analyses for these sensing properties also are presented.     

Design of the target type flowmeter based on fiber Bragg grating and experiment

The target type flowmeter based on fiber Bragg gratings （FBGs） is experimentally studied. The relationship between the central wavelength shift of FBG and the flux is derived and the analytic expression is also given. Simulation and preliminary experiments have been carried out, and experimental validation of the water further proves the feasibility of the sensor. The experimental results verify the proposed sensor which can measure flux range from 200 to 1200 cm^3/s. And on this basis, the improvement program is raised.     

Active temperature compensation design of sensor with fiber gratings

A technique for compensation of temperature effects in fiber grating sensors is reported. For strain sensors and other sensors related to strain such as electromagnetic sensors, a novel structure is designed, which uses two fiber Bragg gratings (FBGs) as strain differential sensor and has temperature effects cancelled. Using this technique, the stress sensitivity has been amplified and gets up to 0.226 nm/N, the total variation in wavelength difference within the range of 3-45 ℃ is 0.03 nm, 1/14 of the uncompensated FBG.The structure can be used in the temperature-insensitive static strain measurement and minor-vibration measurement.     

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。     

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)。     

A Distributed Fibre Bragg Grating Sensor Interrogator Employing a Reformative Arrayed Waveguide Grating

We present an interrogating technique employing a reformative arrayed waveguide grating without output waveguides in combination with a linear charge coupled device. A simple and effective data processing method called area equalized point is used to improve the system resolution. The simulation results show that the wavelength shift of a fibre Bragg grating with temperature can be precisely measured by this interrogation technique. The temperature accuracy and wavelength resolution of the sensor system are smaller than 0.08℃ and 0.8pm, respectively. If the FBG 3dB-bandwidth is 0.2nm with the wavelength spacing between two adjacent FBGs of 1.4 nm, the temperature and wavelength errors caused by crosstalk are respectively 0.01℃ and 0. 1 pm.     

Temperature-Insensitive Fibre-Optic Acceleration Sensor Based on Intensity-Referenced Fibre Bragg Gratings

A temperature-insensitive acceleration sensor using two fibre Bragg gratings （FBGs）, based on reflection spectrum intensity modulation and optical power detection, is proposed and demonstrated. A cantilever beam is used to generate acceleration-induced axial strain along two sensing gratings, which are glued on the two opposite surfaces of the beam. Because the two gratings operate within the linear spectral range of a light source, formed by a thermally-tunable extrinsic Fabry-Perot optical filter, the intensity difference of the two reflections from the gratings is proportional to the acceleration applied. This eliminates the need for sophisticated wavelength interrogation of the gratings, and it also endows the sensor with immunity to temperature variation. Compared with a commercial micromachined accelerometer, the sensor is proven to be capable of accurately detecting acceleration.     

带宽调制型单光纤光栅温变无补偿位移传感

报道了利用反射谱带宽调制和光强差分探测技术实现单一光纤光栅温变无补偿位移精确测量的新方法。设计了一种结构新颖的曲臂梁位移传感装置,结合光波导理论与材料力学原理分析了光纤光栅在高斯应变作用下光栅反射谱侧向梯度展宽的成因,理论推导了特殊结构梁在外力作用下光栅反射谱带宽/反射光强与压力之间的响应关系。光栅反射谱侧向梯度展宽的同时反射光强线性增加,利用光强差分检测方法消除光源出光抖动的影响,提高了位移测量精度。基于带宽调制的光纤光栅位移传感方法免受温度变化的影响,在-10℃~80℃的温度变化范围内,测量误差小于1.2%,实现了单光纤光栅温变无补偿位移测量。