薄板挠曲型光纤Bragg光栅土压力传感器设计与分析

根据土压力传感器与土介质的匹配原则,设计了一种圆平膜片薄板挠曲型FBG土压力传感器。通过在圆膜片上设计一组对称的光栅固定柱,有效避免了传感器在使用过程中产生谱峰分裂。同时,利用光栅固定柱张角引起的应变效应,大幅度地提高了传感器的压力灵敏度。理论分析了该结构的增敏机理并给出传感器灵敏度公式,计算结果表明,传感器的压力灵敏度可达1 374.3 pm/MPa。使用ANSYS建立薄板挠曲的有限元模型,通过提取固定柱中心点处在光纤方向上的位移,获得了有限元模型的压力灵敏度为1 360.8 pm/MPa。有限元分析和理论设计结果的相对误差为0.98%,具有很高的一致度,验证了理论设计和分析的正确性。     

基于FBG的液压系统中流量/压力/温度同时测量技术

针对传统液压系统检测中存在的传感器功能单一、体积较大、测量精度不高等问题,提出一种光纤光栅复合传感器.该传感器以一体化的靶片式流量传感结构为基础,融合光纤光栅压力和温度传感器,可以实现对液压系统流量、压力和温度的同时测量.在对各参数传感模型理论分析的基础上,对传感器的结构进行设计,并制作了传感器实物.利用液压综合试验系统等设备对传感器进行了性能测试和参数标定,得到其流量灵敏度为0.049L/s,压力灵敏度为28.4pm/Mpa,温度灵敏度为14.9pm/℃,验证了传感器设计的合理性.同时,传感器的温度测量功能可在流量和压力测量中作为参考,克服温度的交叉敏感效应,提高传感器的环境适应能力.     

地下爆炸空腔压力和温度历程数值模拟

将气体的渗透、气体与空腔壁的辐射换热、气体与周围介质的热传导三种因素相结合,建立地下爆炸空腔稳定后气体温度和压力变化的数学模型,编制一维球对称有限体积数值模拟程序.用该程序对美国内华达试验场冲积土介质中一次地下核爆炸空腔温度和压力历程进行数值模拟,并对压力监测结果进行分析.     

应变式电阻压力传感元件灵敏度的测定

虽然应变式电阻压力传感器得到广泛应用,但对传感器本身的灵敏度的测试却鲜有研究.为此,提出了测量应变式电阻压力传感元件灵敏度的方法,并设计了测量电路,对其灵敏度进行了理论分析、推导和实验测量与验证.该方法有助于学生深入了解该传感器的性能及其应用技术.     

基于拉杆结构的光纤布拉格光栅渗压传感器研究

根据目前大坝、隧道和煤矿等工程领域和模型试验中对渗压检测的特殊要求,设计并实现了一种新型的光纤布拉格光栅(FBG)渗压传感器,采用波纹膜片和对称拉杆机械结构通过改变光纤光栅的轴向应变实现渗压传感。利用有限元软件ANSYS分别对传感器膜片的压力特性和传感器外壳抗压特性进行了仿真设计和性能分析,提高了传感器的可靠性并缩短了设计周期。对该传感器进行了压力标定试验,得出该传感器在0～100 kPa的测量范围内,压力灵敏度达20 nm/MPa,比普通FBG提高了6683倍。迟滞特性和重复性试验表明迟滞为0.85%,且重复性好。     

基于边缘解调技术的光纤光栅波登管压力传感器的研制

研制了光纤光栅弹簧管压力传感器,并与双边缘解调技术相结合搭建了基于边缘解调技术的光纤压力传感器检测系统,对传感器和解调器的性能进行了测试,给出了实验结果.压力灵敏度为0.33nm/MPa,解调系统线性拟合度为0.99977,系统压力测量分辨率可达0.01MPa.     

一种高灵敏度的新型光纤光栅倾角传感器

为实现结构的长期安全监测，设计了一种杠杆原理与摆锤结构相结合的光纤光栅倾角传感器，并在此基础上进行了理论分析、数值计算和传感器性能测试。对比分析了数值计算和实验结果，发现二者具有较好的一致性。为增大传感器的灵敏度，对传感器的尺寸参数进行了设计。考虑到光纤光栅与金属材料之间的锚固效率和传感器的制作工艺要求，综合给出了效果最佳的组合值。实验结果表明，所提光纤光栅倾角传感器的有效监测范围为-5°～5°,传感器的灵敏度为359.04 pm/(°),线性相关度可达0.999,测量重复性误差为3.433%。此外，所提光纤光栅倾角传感器降低了温度对角度测量的影响，适用于温度变化较大且精度要求较高的工作环境，有良好的应用前景。     

调频连续波光纤压力传感器及其测量特性分析

为了满足压力测量中的高灵敏度、高分辨率、高可靠性等要求,本文提出了一种基于调频连续波激光干涉解调原理的高精度膜片式珐珀腔光纤压力传感器。首先推导了基于该原理的压力测量模型,然后搭建了一套测量装置,通过气泵向SUS631不锈钢膜片组成的密封腔连续给压,得出气压在0～600 kPa范围内变化时膜片中心(即珐珀腔腔长变化量)随气压变化的特性曲线;之后,测试25℃环境条件下不同压力测量值的稳定性,讨论引起腔长变化量漂移的原因;最后,在消除系统误差后得出了压力测量的分辨率。结果表明:该传感器的灵敏度为286.55 nm/kPa,分辨率为0.287 nm/Pa,压力传感器的测量随机误差呈正态分布。该调频连续波光纤压力传感器可以进行高灵敏度、高分辨率和高稳定性测量。     

基于光栅应变传感器的纳米测量机探针设计

为了提高纳米坐标测量机探针的测量精度,且能满足对复杂曲面或微结构进行精确测量的要求,提出了一种新颖的基于微探针系统的光纤布拉格光栅(FBG)探针。该探针具有较高灵敏度和可重复性。提出该新型FBG探针,即探针里有一个熔融的球形顶端,FBG作为应变传感器内置在测杆上。介绍了光纤探针的基本原理,并利用有限元软件ANSYS 11对探针的应变分布在轴向和横向载荷两种典型配置分别进行了仿真分析,结果表明仿真分析和理论计算相吻合。通过实验对光纤探针的灵敏度和分辨率分别进行测试。实验结果表明,在轴向载荷条件下,用位移分辨率为1.5 nm的压电换能器对探针进行性能测试,得到光纤探针的测量分辨率为60 nm。即光纤探针具有较高的灵敏度和分辨率,其性能满足实际测量需要。     

微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(MNFBG)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(FBG)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对MNFBG折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用OptiGrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示MNFBG折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400 nm的MNFBG灵敏度可达到993 nm/RIU,相比于包层蚀刻的FBG灵敏度增加了170倍,说明MNFBG对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感     

温度补偿式光纤光栅土压力传感器

针对现有土压力传感器无法实现长期、实时监测的要求,设计了温度补偿式光纤光栅土压力传感器。选用有硬中心的平膜片作弹性元件,选用灵敏度高、体积小、质量轻、易于波分复用和组成传感网络的光纤光栅作敏感元件;同时采用了不受力光栅法进行了温度补偿。经实验测试,该传感器的灵敏度为1.5 nm/M Pa;线性度误差为0.35%;重复性为0.06%;迟滞为2.19%;静态误差为2.21%;这些指标能够满足实际工程应用要求。     

Design of fiber Bragg grating-based Fabry–Perot sensor for simultaneous measurement of humidity and temperature

A new sensor for simultaneous measurement of humidity and temperature is proposed. The sensor consists of Fabry–Perot cavity formed by two identical uniform fiber Bragg gratings. To make the cavity serves as humidity sensor, moisture sensitive polymer, which is polyimide, is coated on the FBG and on the cavity with different thickness. When the sensor is exposed to the relative humidity change, the polyimide will expand and stretch the fiber and induces strain on the FBG and on the cavity. The induced strain alters the grating period, cavity length and effective refractive index of fiber. The simulation results show that the humidity sensitivity and thermal sensitivity are 1.92 pm/%RH and 8.87 pm/°C, respectively, for polyimide coating thickness of 10 μm on the FBG and 15 μm on the cavity.     

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.     

温度不敏感的光纤布拉格高压传感技术研究

 为了实现单一光纤光栅对压强精确测量,设计了一种温度不敏感的光纤布拉格高压传感器。对该传感器的温度特性及压强响应特性进行研究。给出了该传感器的结构及封装方法。从理论上分析了该传感器的温度去敏原理,推导了该压强传感器的光纤布拉格光栅中心波长与压强的关系,得到了该传感器的压强响应灵敏度的解析表达。通过实验分析传感器的温度特性及压强响应。实验结果表明,在21℃～260.8℃的范围内,实现了温度补偿,平均波长漂移量为0.75 pm/℃,在0～44 MPa的范围内,获得了-0.054 8 nm/MPa的压强响应灵敏度,是裸光纤布拉格光栅压力响应灵敏度的18.27倍。该传感器的压强响应具有很好的线性和重复性,实验值与理论值吻合得很好,该传感器能够通过一只光纤布拉格光栅实现压强的精确测量。     

温度不敏感光纤光栅压强传感器

提出了一种新颖的高灵敏度温度不敏感光纤光栅压强传感器。该传感器主要由开口环传感机构和铝箔管组成，根据光纤布拉格光栅带宽调谐原理，首次采用开口环机构和利用带宽编码技术，实现了温度不敏感压强感测。实验结果表明：该传感器在低压范围内具有很高的压强传感灵敏度系数，可达2.50×103nm/MPa，实验结果与理论分析基本相符。通过选择不同材料的开口环和铝箔管的材料以及改变其结构参数，可灵活设计并调节压强传感灵敏度系数及压强感测范围。     

基于偶联剂技术的光纤光栅压力传感实验研究

报道了利用偶联技术封装光纤光栅压力传感器的新方案.通过采用特殊聚合物材料将光纤光栅封装于金属管中，并采用偶联材料分别与聚合物和光纤以化学键偶联的工艺，解决了由于有机弹性体聚合物的弹性模量（1.2×105 N/m2）与光纤光栅的弹性模量(7×1010 N/m2)相差很大，在压强较大时易导致光纤光栅与聚合物材料之间的撕裂滑脱问题，改善了光纤光栅压力响应特性.封装后的光纤光栅压力的线性测量范围为0.04 MPa~0.6 MPa，压力响应灵敏度为－4.48 nm/MPa，与裸光栅压力响应灵敏度－0.003063 nm/MPa相比，增敏了1463倍.利用实验中所使用光谱仪0.05 nm的分辨率，压强测量准确度为±0.01 MPa，线性度为0.9978.     

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。     

轮辐式光纤光栅压力传感器的设计与实现

利用光纤光栅作为基本传感元件，设计研制了一种基于轮辐式压力盒装置的新型光纤光栅压力传感器.常温下在0～30 KN的范围内，其测量线性度达到99.91%，灵敏度达到22 N，且响应速度快.与其它类型的光纤光栅压力传感器相比，轮辐式光纤光栅压力传感器具有更大的测量范围、更高的抗干扰能力，并且由于光纤光栅本身的波分复用特性，可以很方便地构成压力传感网络进行多种物理量、多点的测量.实验表明：本传感系统具有结构简单、操作方便、滞后小、重复性好、结构高度小、重量轻等优点，在桥梁、大厦等超大型建筑以及大型管道等的检测与监测方面将会有更为广阔的应用前景.