非均匀应变场下相移光栅光谱特性及其实验研究

采用传输矩阵法系统研究轴向非均匀应变场下相移光栅光谱特性,对均匀应变、线性应变、二次应变以及三次应变分布下相移光栅反射谱进行仿真,分析应变分布函数各项系数对反射率、通透带宽、透射窗口对应波长以及光谱形状的影响,并得出规律性结论。基于不同形状悬臂梁组建应变调谐实验装置,利用有限元法计算固定于不同形状悬臂梁表面相移光栅栅区应变分布,结合数值计算结果进行相移光栅应变调谐实验,研究相移光栅栅区轴向在均匀应变场、线性应变场以及二次应变场下相移光栅的反射光谱,实验结果表明在不同应变场下相移光栅反射谱呈现规律性变化,与仿真结果很好吻合。     

布拉格光纤光栅传感器在非均匀应变场中的响应分析

在非均匀应变场的作用下,布拉格光纤光栅的主要参数有效折射率和光栅周期都会发生非均匀的变化,导致光纤光栅的反射光光谱结构发生变化。在光波导耦合模理论的基础上,建立了布拉格光纤光栅在非均匀应变场下反射光谱的分析数学模型,利用龙格 库塔法对其进行了数值求解。给出了几种典型应变场下的布拉格光纤光栅的反射光谱,并分析了它们的特点。     

正弦形构造的光纤光栅自致啁啾效应

结合均匀光栅在受到非均匀应变时会产生啁啾效应的原理,提出了一种利用正弦结构将均匀光栅调制成啁啾光栅的方法。设计了正弦结构的基底材料,将光纤光栅粘贴在基底材料的应变非均匀区,通过施加拉伸载荷将其产生的应变引入FBG栅区,使得FBG产生了啁啾效应,FBG被调制成具有多个反射峰和宽带宽的啁啾光栅;使用有限元软件对正弦结构拉伸载荷下的应变进行了仿真,得到了正弦结构不同位置的应变云图;实验结果在位移载荷最大为8mm时,得到了带宽增加5倍,反射谱具有多个反射峰的啁啾光栅;结合传输矩阵法对啁啾光栅的反射谱进行光谱仿真重构,仿真光谱与实验光谱趋势基本吻合。     

保偏光纤光栅应变传感器的研究

针对光纤布拉格光栅(FBG)温度和应变的交叉敏感问题，设计了一种带熔点保偏光纤光栅(PMFBG)结构。该结构通过将2段保偏光纤带加大推进量熔接，形成中间凸起结构，然后在熔点位置写入光栅。文中首先采用熊猫保偏光纤设计制作了该结构，并搭建实验装置测试其在(0~2)N轴向应力作用下的反射光谱，发现PMFBG快轴和慢轴的反射谱均分裂成2个峰值，随着轴向应力的增加，反射谱整体产生红移，同时分裂的2个峰值强度的比值单调减小，且不受温度的影响。随后，采用有限元法分析了该结构的轴向应变分布，并基于传输矩阵法仿真分析了该PMFBG反射光谱随应力的变化特性，仿真与实验结果的一致性较好。证实可利用PMFBG反射光谱的峰值之比消除轴向应变与温度的交叉敏感性，实现轴向应变的测量。     

单轴晶体包层啁啾光纤光栅中电光效应和弹光效应的理论研究

提出了以单轴晶体材料为包层,光轴平行于光栅主轴(z轴)的新型啁啾光纤光栅模型,应用耦合模理论和传输矩阵方法在理论上分析了该类光纤光栅中的电光效应和弹光效应,理论研究发现在包层施加沿光栅轴向的电场和应变场可以改变布拉格波长和反射谱。得到了3种不同单轴晶体为包层时布拉格波长λB和反射光谱随外加电场和应变场变化的曲线。研究结果表明当轴向外加电场从1×107V/m变化到8×107V/m时λB减小0.12nm,当外加应变场从0变化到0.04时,λB减小0.45nm。     

膜层传输矩阵理论在布拉格光纤光栅分析中的应用

利用膜层传输矩阵理论研究折射率调制对布拉格光纤光栅传输特性影响.根据传输矩阵理论计算光栅折射率的调制幅度、光栅长度、调制方法等对布拉格光纤光栅的反射率、反射峰波长和半幅宽度的影响.结果表明:膜层传输矩阵理论与传统传输矩阵法、耦合模理论对布拉格光纤光栅特性分析结论一致;采用高调制长度、低调制幅度可以获得良好的布拉格光纤光栅反射峰,而反射主峰位置改变需用调整调制周期.实验和理论对比分析了主峰在1 550nm波长的布拉格光纤光栅反射峰情况,验证了该方法的可行性.与传统方法相比,膜层传输矩阵法计算公式简单、运行速度快,可应用于布拉格光纤光栅辅助设计.     

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.     

高双折射光子晶体光纤中均匀布拉格光栅的特性

研究了具有高双折射的光子晶体光纤(HB PCF)中均匀布拉格光栅(FBG)的光谱特性。利用紧凑的超格子模型,对光子晶体光纤的传输特性进行分析,研究正向传输和反向传输的模式之间的耦合规律,从而研究写入光子晶体光纤中的均匀布拉格光栅的特性。首先给出具有C6v对称性的零双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的布拉格波长λB随光纤结构参量的变化规律;然后分析一种高双折射光子晶体光纤中的光纤布拉格光栅的光谱特性,高双折射使两个不同偏振态的反射峰分开较大;最后分析了一种常用的双模双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的光谱特性,LP01模和LPe11模的两个偏振态对应的反射谱都由于高双折射而分开。     

基于非均匀取样布拉格光纤光栅Interleaver的设计

对于光纤通信领域有限的带宽资源,波分复用与解复用器件Interleaver是未来密集型波分复用(DWDM)光纤通信网中的关键器件。为此结合非均匀取样光栅Interleaver的基本设计原理,运用耦合模理论和矩阵传输方法对非均匀取样光纤布拉格光栅的传输特性进行了数值模拟计算,并设计了信道间隔为0.8nm的设计实例,反射谱峰值均匀达到80％～95％,传输通道间隔稳定均匀,时延和色散均匀,时延抖动小于200ps。     

光纤光栅反射谱对非均匀应变的展宽响应

光纤布拉格光栅在非均匀应力场作用下，其纤芯折射率及光栅栅距都将产生非均匀变化，本文给出了光纤光栅与非均匀应变场的相互作用模型，建立了反射谱对非均匀应变的响应关系。并给出了线性应力场的实验结果。     

Quantum-behaved particle swarm optimization algorithm for the reconstruction of fiber Bragg grating sensor strain profiles

A quantum-behaved particle swarm optimization algorithm used for demodulating the strain profile along a fiber Bragg grating (FBG) from its reflection spectrum has been demonstrated. By combining the transfer matrix method for calculating the reflection spectrum of a FBG and the quantum-behaved particle swarm optimization technique, we develop a new technique for the reconstruction of FBG sensor strain profiles. This proposed technique is verified through numerical example reconstructions of FBG sensor simulated strain profile cases and numerical simulations reveal good agreement between the original and the reconstructed strain profiles.     

基于叠栅的Bragg光纤光栅综合方法的研究

提出一种新的光纤光栅综合方法，将Bragg光纤光栅的层剥离综合算法与光纤叠栅理论结合起来，层剥离综合算法根据需要的反射谱计算出光纤光栅的折射率分布，用多个带切趾函数的光纤叠栅来拟合这个折射率分布，通过改变各叠栅中的相关参数，可以得到适合需要的反射谱，相对误差一般小于4.0%。该方法具有简单、快速、易于实现的特点。     

三角形大带宽反射光谱光纤光栅的设计和制备

反射谱具有三角形形状的光纤光栅在光纤传感等领域中具有重要的应用前景。利用遗传算法设计出了产生三角形光谱分布的光纤光栅的耦合系数沿光纤的分布。计算表明,三角形光谱光纤光栅是可以实现的,其反射带宽可以通过光栅的啁啾量进行调节,常周期的三角光栅反射带宽小,变周期的三角光栅反射带宽大,其带宽同其啁啾量大致相等。实验中,采用光束扫描法制备了反射底宽为0．77nm三角形光谱的光纤光栅。     

Fiber Bragg grating distributed strain sensing: an adaptive simulated annealing algorithm approach

We demonstrate the use of adaptive simulated annealing (ASA) algorithm for determining the strain profile along a fiber Bragg grating (FBG) from its amplitude reflection spectrum. By combining the ASA algorithm and the matrix method for calculating the reflection spectrum of a FBG, the FBG sensor can be used for the distributed strain sensing. Experiments showed that the strain detection accuracy could be in the order of a few microstrains.     

Strain profile reconstruction of fiber Bragg grating with gradient using chaos genetic algorithm and modified transfer matrix formulation

In this paper, a new heuristic approach based on chaos genetic algorithm and modified transfer matrix method is presented to demodulate the fiber Bragg grating strain sensors. To facilitate accurate calculation of the grating reflected intensity spectrum, the modified transfer matrix approach is applied. The motivation for using the spline smooth function scheme is to provide nice approximation of strain profiles from a scattered data set and overcome the difficulty of calculating the strain gradients in local period function of the modified T-matrix formulation for the piecewise constant strain field assumption. The chaos genetic algorithm is developed to improve the performance of GA and optimize the data of control nodes of the spline smooth function, and more valuably, the reconstructed strain profile is continuous with discretionary spatial resolution. The proposed method is verified through numerical example reconstructions of Bragg grating sensor simulated strain profile cases.     

FBG分布式非均匀应变重构准确度分析研究

以剥层算法为基础,分别从非均匀解调应变大小、重构算法的特征参量以及光栅初始结构参量等对光纤布喇格光栅应变重构准确度的影响进行相关研究分析.结果表明:工作长度为5~30mm的光纤布喇格光栅最佳应变解调在3 000με以内,在该应变解调范围内,保持光栅剥层的分层长度为0.1mm左右时,应变重构准确度和效率较优,折射率调制幅度越小,应变重构误差越小;同时,对于非均匀应变检测使用的强光栅,折射率调制幅度约为0.000 12时,应变检测结果最好.本文的研究结果对提高非均匀应变的重构准确度具有重要的指导意义.     

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 0nm·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9.39pm·℃~(-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。     

相位修正的耦合模理论用于计算光纤Bragg光栅法布里-珀罗腔透射谱

基于光纤Bragg光栅(FBG)反射复振幅相移对FBG法布里-珀罗腔透射谱的影响，分析了传统耦合模理论计算均匀FBG反射复振幅相移产生误差的原因.引入折射率分布初始相位参数描述FBG折射率分布纵向的微小偏移，用真实的反透射系数代替简明形式的反透射系数，对传统耦合模理论进行了修正，增加了与折射率分布初始相位参数有关而与波长无关的相位因子.在此基础上进一步对计算非均匀FBG的传输矩阵法的相位进行了修正.修正后的快速计算结果用于FBG法布里-珀罗腔透射谱的计算，可反映折射率分布初始相位参数对透射峰波长位置的影响，与Rouard 算法及实验值均有较好的一致性. 关键词： 光纤Bragg 光栅 法布里-珀罗腔 耦合模理论     

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。