光纤布喇格光栅应变传感器结构优化研究

提出了一种改进的光纤光栅应变传感器结构,用有限元分析软件对其进行建模和静力仿真,得到其应力分布和光栅区域的应变情况.在整体宽度与厚度相等的情况下,此结构的灵敏度约为传统"工"字型结构的600倍.进一步分析了其关键区域的6个结构参量对应变灵敏度及量程的影响.筛选、设计并加工出不同尺寸的两种应变片,分别用UV胶与玻璃焊料对光栅进行封装,得到灵敏度分别为:249pm/N、330pm/N和1.1pm/N.比较分析表明,本文提供的分析方法与数据,可为不同工程应用场合的最优结构设计提供依据.     

FBG滤波的级联LPFG温度和折射率传感装置

利用长周期光纤光栅具有较高的温度、折射率灵敏度,以及光纤布喇格光栅具有较高反射效率的特点,设计了一种基于光纤布啦格光栅滤波的级联长周期光纤光栅温度和折射率传感装置.利用光纤布喇格光栅的高反射率,将级联长周期光纤光栅干涉波峰的局部功率反射到功率计中,实现了温度和折射率的测量.基于信号叠加原理,对光纤布喇格光栅滤波的级联长周期光纤光栅温度和折射率传感方法的可行性进行了分析.将实际测得的功率计示数与温度以及折射率的变化进行二项式拟合,其确定系数分别为0.9990和0.9959,表明该传感方法可用于温度和折射率的精确测量.最后对该装置的稳定性做了一系列的测试,验证了该传感系统具有较高的稳定性.     

不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析

对光纤布喇格光栅反射谱的三种寻峰算法(三次样条插值数值微分法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法)进行了分析和比较;相同采样情况下,得出了高斯拟合法确定的峰值准确度最高的结论;采样点数为250的均匀采样中,三种算法寻峰结果对实际值的误差分别为: 3.4 pm、13.0 pm和2.6 pm.引入了非均匀数据采集的寻峰思路,分别应用三种寻峰法对实际光栅的反射谱分别进行均匀采集和非均匀采集.结果表明,对于相同寻峰方法在非均匀数据采集下获得的峰值更精确,采样点数为250时,高斯拟合法寻峰时非均匀采集对应的误差比均匀采集减少了38.46%.     

不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析

对光纤布喇格光栅反射谱的三种寻峰算法(三次样条插值数值微分法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法)进行了分析和比较;相同采样情况下,得出了高斯拟合法确定的峰值准确度最高的结论;采样点数为250的均匀采样中,三种算法寻峰结果对实际值的误差分别为:3.4pm、13.0 pm和2.6 pm.引入了非均匀数据采集的寻峰思路,分别应用三种寻峰法对实际光栅的反射谱分别进行均匀采集和非均匀采集.结果表明,对于相同寻峰方法在非均匀数据采集下获得的峰值更精确,采样点数为250时,高斯拟合法寻峰时非均匀采集对应的误差比均匀采集减少了38.46％.     

在－50℃~+150℃大温度范围下用FBG测材料的三维热膨胀系数

报导了用光纤布喇格光栅(FBG)传感器测量军工用的一新型材料的新方法.实验结果表明，此方法可在恶劣环境下可靠检测热膨胀系数，FBG在低至－50℃和高至+150℃大范围下仍能正常工作.文中给出了相应理论及实验结果.     

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。     

安装偏差对光纤布喇格光栅应变测量的影响

通过理论推导和试验分析研究了安装偏差对光纤应变测量的影响,得到安装误差所带来测量误差的计算公式.发现光纤的轴向与预定安装方向的角偏差越大,测量误差也越大.用光纤光栅进行应变测量时,必须考虑光纤的安装偏差,它直接关系到测量结果的准确性.实际测量中要尽量确保传感器安装方位的准确.     

DS-OCDMA系统中FBG编解码器的研究

详细阐述了平行结构和串联结构光纤布喇格光栅编解码器的设计思想,探讨了它们在直接序列扩频光纤码分多址系统中的应用,并推导了各自的编解码原理.通过分析相应系统在功率效率和误码率等方面的性能,得出了最佳的设计参量.结果表明,该编解码器除具有与同一结构类型的光纤延迟线编解码器相似的性能外,还具有相位编解码能力.     

一种重构强反射光纤布拉格光栅的新方法

阐述了光纤布拉格光栅的重构理论及被广泛采用的剥层算法,指出了剥层算法在重构强反射光栅时的弊端,提出了一种剥层算法和遗传算法相结合的方法来重构强反射光栅。此方法先由剥层算法得到光栅耦合系数的初始值,再依据重新采样后的初始值创建初始种群,通过遗传算法实现对剥层算法所得结果的后半部分进行优化。数值模拟表明此方法有效地改善了剥层算法的结果,具有较快的收敛速度和很好的精度,能适用于大多数强反射光栅的重构。     

光纤布喇格光栅中心波长反向漂移的实验研究

以较大载荷轴向拉伸光纤布喇格光栅时,由于裸纤与涂覆层的弹性模量不同,会产生中心波长反向漂移现象,严重影响了传感器的准确度与测量范围.实验研究表明,在光纤固定端适当剥除一段涂覆层,然后将裸露部分与带涂覆层部分同时固定,可将光纤布喇格光栅的中心波长反方向漂移量控制在10－3 nm以内,同时可增大光纤布喇格光栅的有效调谐范围,并使其能够保持较好的线性度,实验结果与理论计算结果相符合.     

铜片封装光纤光栅传感器的应变和温度传感特性研究

提出了一种光纤光栅的铜片封装工艺,并通过实验和理论分析研究了光纤光栅的应变和温度传感特性.与裸光纤光栅的测试结果相比,铜片封装工艺基本不改变光纤光栅应变传感的灵敏度,但是温度灵敏度系数提高了2.78倍.经过铜片封装后的光纤光栅可以探测到的应变和温度分别为1 με和0.03℃,便于工程应用.     

光纤Bragg光栅应变测量中啁啾特性的研究

用光纤Bragg光栅进行应变（静态、动态）测量时,由于光栅轴向各部分受到的应变不同,因而产生布喇格中心波长漂移量发生变化.实际测量中往往忽略此扰动对光纤光栅反射谱中心波长的影响,则必然带来测量误差.采用耦合模理论,分析并研究了Bragg光栅受轴向线性应变、高次应变和非线性周期应变波等情况下的啁啾特性.根据各自啁啾特性的不同,给出了对光纤光栅反射谱中心的影响,以及测量各种应变时的测量条件和范围.     

基于阵列波导光纤温度特性的分布式光纤布喇格光栅解调法

设计了一种使用阵列波导光栅对分布式光纤布喇格光栅中心波长较大范围变化的解调方法.根据阵列波导光栅各通道的中心波长可随温度变化而改变的特性,通过控制软件循环地在几分钟内使加在阵列波导光栅的芯片温度从30℃线性增加到90℃,同时用微机高速采集各通道的数据并分别找出各通道数据的最大值时刻所对应的阵列波导光栅芯片温度,从而根据其波长-温度关系在微机上报告此时各光纤布喇格光栅的中心波长.实验结果表明,系统有效地解决了分布式解调的问题,微机以小于10min的周期报告出每通道0.6nm范围变化的光纤布喇格光栅中心波长(共40个通道),测量相对误差小于2%.     

基于阵列波导光纤温度特性的分布式光纤布喇格光栅解调法

设计了一种使用阵列波导光栅对分布式光纤布喇格光栅中心波长较大范围变化的解调方法.根据阵列波导光栅各通道的中心波长可随温度变化而改变的特性,通过控制软件循环地在几分钟内使加在阵列波导光栅的芯片温度从30℃线性增加到90℃,同时用微机高速采集各通道的数据并分别找出各通道数据的最大值时刻所对应的阵列波导光栅芯片温度,从而根据其波长-温度关系在微机上报告此时各光纤布喇格光栅的中心波长.实验结果表明,系统有效地解决了分布式解调的问题, 微机以小于10 min的周期报告出每通道0.6 nm范围变化的光纤布喇格光栅中心波长(共40个通道),测量相对误差小于2%.     

铝槽封装光纤光栅传感器的增敏特性研究

提出了一种光纤布喇格光栅的铝槽封装工艺,并对铝槽封装光纤光栅传感器的应变与温度传感特性进行了实验研究和理论分析.与裸光纤光栅的测试结果比较表明,铝槽封装工艺基本不改变光纤光栅应变传感的灵敏性,但是温度灵敏度系数提高了3.5倍.经过该工艺封装的光纤光栅可以探测识别0.2 με的应变与0.02℃的温度变化.     

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.     

非栅区封装光纤布喇格光栅应变传感特性研究

针对表面粘贴式非栅区封装结构,依据变形等效原理,推导了该结构的应变传递函数,仿真分析了非栅区封装中间段长度与封装材料弹性模量对应变传递效率的影响.分别采用有机环氧胶与金属锌,将两只光纤布喇格光栅用非栅区封装方式固定在同一根钢丝上,进行拉伸试验,试验结果表明:两种材料的拉伸曲线线性度均达到0.99以上,表明两种封装材料的应变传递一致性较好;金属锌封装结构的应力感知灵敏度平均值为0.142 6nm/KN,环氧有机胶封装结构的应力感知灵敏度平均值为0.130 4nm/KN;各种应变值下,金属锌封装结构的应变传递系数均稳定在0.995左右,而环氧有机胶封装结构的应变传递系数在0.91左右上下波动,金属锌的应变传递效率较有机环氧胶高了近9.34%.试验结果与数值仿真结果较为吻合,可为非栅区封装光纤布喇格光栅传感器的设计提供依据.     

基于神经网络的光纤光栅应变传感器重构

提出一种基于径向基函数神经网络模型来重构蜕化的光纤光栅应变传感器的方法.以结构健康监测系统中应变测量系统的光纤光栅应变传感器之间关联分析为基础,依据径向基函数神经网络强大的函数逼近能力,利用关联度高、运行良好的应变传感器去重构蜕化的应变传感器,保证重构的应变传感器与蜕化传感器有较高的数据准确度.实验结果证实了该方法在理论和实践上的精确性和可行性.     

光纤光栅传感技术在成桥检测中的应用研究

在分析的基础上,通过等强度梁试验具体验证了光纤Bragg光栅波长变化与应变的关系,研究了光纤Bragg光栅传感器的布设工艺,并在某大桥的成桥检测过程中成功地布设了36个光纤Bragg光栅应变传感器与5个温度传感器,布设的传感器在成桥检测过程中监测结构层状态。监测结果表明：埋入的光纤Bragg光栅传感器具有很好的传感性能,可以很方便地监测桥梁结构,为桥梁结构的健康诊断提供可靠的依据。