基于InGaAs光谱成像技术的光纤光栅传感器在大坝渗流监测系统的应用

为了实现大坝渗流监测,提出了一种采用光谱成像技术的光纤Bragg光栅传感器和多点传感系统。基于室内实验结果,对监测系统可靠性与监测数据准确度进行和多点传感信号分辨因子分析,结果表明:用于坝体温度场检测的光线光栅传感器波长温度响应灵敏度可达0.009 1nm/℃;由光源带宽决定的测试系统可实现多个传感器的复用。实践表明:采用光纤光栅传感系统可进行大坝渗流自动监测,特别是在系统防雷击、抗干扰性方面,与传统仪器相比具有明显优势。     

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。     

长周期光纤光栅强度型温度传感研究

对长周期光纤光栅(LPG)的温度特性进行了实验研究,测得的温度灵敏系数为0.086nm/℃,为光纤布喇格光栅(FBG)典型温度灵敏系数的8.2倍。以LPG作为传感元件,以可调谐掺铒光纤环形腔激光器作为光源,研究了LPG的强度型温度传感特性,在74℃的温度变化范围内,激光透射光强的对数与待测温度的关系具有良好的线性和重复性,温度测量的分辨率可达0.1℃。     

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.     

强度解调型光纤光栅温度传感实验

光纤光栅在工程上应用广泛,但由于存在解调系统复杂、成本高,尤其是需要使用光纤光谱仪等波长解调仪器,使得光纤光栅很难走入本科教学的实验课堂.本文提出了一种基于窄线宽DFB激光器的强度解调方案,极大地简化了光纤光栅传感器的解调系统,完全满足较高分辨率和实时检测的系统要求.合理安排的温度传感实验可以非常直观地展示光纤光栅的线性传感性能,使得工程化的光纤光栅传感技术轻松走进本科教学课堂,具有极高的推广和应用潜力.     

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。     

埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

埋入式光纤光栅应变传感器作为大型土木结构健康监测的智能元件具有很好的发展前景。讨论了埋入式光纤光栅应变传感器的传感机理，设计了埋入式光纤光栅应变测量系统。从力学角度阐述了光栅传感探头的结构和制作工艺。采用可调谐F-P滤波器对光栅信号进行解调，解决了应变与温度交叉敏感问题。系统对应变的测量范围为0～1500με。通过理论分析证实了系统方案的可行性。     

基于光纤布拉格光栅的浇注炸药固化温度监测

首次采用光纤Bragg光栅实时测量浇注炸药在固化成型过程中固化剂与粘结剂的反应放热量。为了实时、准确的测量出浇注炸药在固化过程中的温度值,设计了基于光纤布拉格光栅的组网式温度监测系统。鉴于炸药成分的危险性、以及浇注炸药固化过程时间长、对条件要求恒温的特殊性,直接的实时监测一直未找到合适的测量方法。近年来,光纤布拉格光栅由于其优越的特点,在通信和传感领域得到广泛应用。利用光纤光栅与温度之间的线性关系,将采集的光栅反射波长值换算为温度实时显示。通过波分复用技术在两根光纤上写入7个光栅点同时测量,多点分布式测量可以将炸药内部温度的分布趋势显示出来。封装的光栅传感器采用90°弯曲设计,不仅改进了传感器与跳线的连接,同时有利于装入烘箱内。Origin软件将txt数据绘制成曲线图形式,将固化过程温度的变化直观明了的显示出来。结果表明,该方法操作简单,精确度高,满足炸药固化过程中对温度的测试需求。     

保偏光纤光栅温度传感性能的实验研究

在经过氢敏化处理的保偏光纤上制作了中心波长在1300 nm窗口的光纤布拉格光栅，并对这种保偏光纤布拉格光栅的温度传感特性进行了实验研究与理论分析。结果表明这种光栅可以用作温度传感器，对温度进行测量。和普通的标准单模光纤布拉格光栅一样，它对温度的响应具有很好的线性关系。本实验结果还可以作为对保偏光纤光栅传感特性进一步深入研究的参考。     

基于光谱线性频移的粮仓温度网络监测系统的研究

为了精确、稳定地获得粮仓内大范围的温度分布,设计了光纤布拉格光栅测温系统。利用光纤布拉格光栅所测温度与中心波长之间存在线性的关系,根据光谱线性频移函数获得仓内各位置的精确温度。其中每个光栅的工作波长相互分开,经3 dB的耦合器反射后,再用波长探测解调系统对多个光栅的线性频移进行测量,即可检测出仓内各处的温度。实验采用FBG封装的光纤、LPT-101型光源、放大处理电路等设备获得采集得到的温度信息。通过Origin软件画出了被测温度与波长频移的关系图,同时与传统的测量方法K型热电偶的测量数据进行比较。实验结果显示,光纤布拉格光栅测得温度与标准温度更接近,且抗干扰能力更强,满足粮仓内大范围温度监测的要求。     

基于光子集成芯片的可穿戴光纤光栅解调研究

为了实现光纤光栅传感器在可穿戴系统中的应用,提出了一种基于硅基光子集成芯片的可穿戴光纤光栅传感解调系统。基于比利时iSiPP50G工艺的光子集成芯片由4×1长波长VCSEL阵列、1×8阵列波导光栅、2×2 MMI耦合器、4×1光纤光栅耦合器阵列、Ge-on-Si波导光电探测器、直波导和弯曲波导等组成。在完成对VCSEL光源金线键合和光子集成芯片光纤耦合封装的基础上,设计了手环式解调电路,对人体温度和心音信号进行了实时测量。实验结果表明:解调系统的动态波长检测范围为1 540 nm～1 560 nm,波长分辨率为0.08 pm,解调精度为5 pm,温度监测范围为35℃～42℃,误差为±0.1℃;可检测50 Hz～100 Hz频率范围内的心音信号,可识别出第一心音和第二心音,并计算出心动周期、心率、第一心音时限、第二心音时限和心力等特征参数。     

FBG测温系统的光谱校正算法的研究

为了解决在大范围、多点位温度实时监测过程中温度传感器铺设工程复杂、维护成本高等问题,研究开发了基于光纤布拉格光栅结构的温度监测系统。利用光纤光栅衍射对波长的选择性,建立了温度与波长的函数关系,通过计算波长变化量反演被测位置的温度信息。由于环境、材料等因素,光谱分布与温度变化并不满足线性变化,所以设计了光谱校正算法完成波长与温度函数的曲线拟合,曲线拟合度大于99.7%。实验采用FB136L-IAC型防爆干燥箱、LPT-200型二极管,1 550 nm光纤等对20～280 ℃范围内温度进行多点位实时检测,实验结果显示,当防爆干燥箱中的温度每改变1 ℃时,对应的中心波长向长波方向偏移大约0.04 nm,与标准温度测试数据进行对比,误差低于±0.3 ℃。由于系统采用光纤传感网络,所以具有很强的抗电磁干扰能力,而光纤光栅衍射可实现精密测量,动态响应范围大、精度高。系统的新颖之处在保证高精度测量的同时,仍满足大范围、多点位、高抗干扰能力的快速铺设,具有很强的实际应用价值。     

一种新型光纤光栅围栏防火防入侵同步预警系统

利用布喇格光纤光栅传感器对应变和温度同时敏感的特性,根据应变和温度导致光栅中心波长变化趋势及规律的不同,在光纤光栅围栏入侵监测系统中,从信号时域、频域提取的多方位特征对周界入侵和火灾发生等威胁安全事件进行智能识别和报警.在光纤光栅围栏防入侵功能基础上,无需做任何硬件封装的改变,也无需另外增加温度敏感光缆和集成其他温度监测系统,即可同时达到火灾监测的目的,实现防火和防入侵的同步预警.处理结果验证了该方法的有效性.     

基于少模-无芯-少模光纤结构的高灵敏度折射率传感器

光纤折射率传感器广泛应用于各种复杂环境的监测。设计了一种基于少模光纤（fewmode fiber,FMF）–无芯光纤（coreless fiber,CLF）–FMF结构的高灵敏度折射率传感器。该传感器由2小段FMF之间熔接1段减薄的CLF组成马赫-增德尔干涉仪（Mach–Zehnder interference,MZI）,测量外界折射率,利用光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating,FBG）进行温度补偿。MZI干涉光谱中的谐振波谷同时受折射率和温度影响,FBG只受温度的影响。利用MZI和FBG的折射率和温度灵敏度系数构建灵敏度矩阵,实现折射率和温度的同步测量。实验结果表明,MZI折射率灵敏度为345.66 nm/RIU,温度灵敏度为0.013 4 nm/℃;FBG的温度灵敏度为0.010 4 nm/℃。     

Multi-point abnormal-temperature warning sensor system with?different thresholds

We propose and experimentally demonstrate a time-division-multiplexing-based (TDM-based) multi-point abnormal-temperature warning sensor system with different thresholds. A multi-channel fiber Bragg grating (FBG) serving as the wavelength selector is employed in the fiber ring laser to generate a multi-wavelength pulsed light source. The sensor array is composed of multiple uniform sensing FBGs at different positions and with different nominal wavelengths. The warning signal is obtained by only monitoring the time slot between the injected pulse and the reflected pulse. The measurement range and resolution are theoretically discussed and experimentally demonstrated.     

啁啾光栅结合边缘线性滤波解调的 FBG应变测量系统

介绍一种采用啁啾光栅并结合边缘线性滤波解调的FBG应变测量系统。系统中探头以2个光纤布喇格光栅(FBG)的波长差作为传感信息测量等强度悬臂梁的应变，避免了测量过程中温度变化因素对测量结果的影响，并且提高了灵敏度和分辨率。采用啁啾光栅结合长周期光纤光栅边缘线性滤波技术的波长解调方案，理论上证明了该系统的可行性，系统测量范围为0～500με，在海上开采平台、高层建筑、大型基础构件、桥梁大坝等结构的健康监测中具有一定意义。     

基于光纤布拉格光栅传感器的光纤光栅智能夹层试验研究

传感元件与复合材料的一体化是智能结构研究的最终目标之一。设计一种具有自诊断功能的标准化、模块化光纤智能夹层系统,正是实现这种一体化最有潜力的技术途径。采用聚酰亚胺薄膜制作了基于光纤布拉格光栅（FBG）传感器的光纤光栅智能夹层,对智能夹层中光纤布拉格光栅传感器的应变、温度特性进行了标定试验,并建立了基于光纤布拉格光栅传感器光纤光栅智能夹层的应变、温度测量模型。试验表明,智能夹层内布拉格光栅波长偏移与应变、温度之间具有良好的线性关系。不过在温度测量时,必须考虑被埋人结构的热膨胀效应。利用光纤光栅智能夹层内光纤布拉格光栅传感器网络和先进信息处理技术,可以建立结构损伤主动、在线和实时监测系统。     

Rapid fabrication of microhole array structured optical fibers

A microhole array in a common single-mode fiber is fabricated by selective chemical etching of femtosecond-laser-induced fiber Bragg grating (FBG), which has a laser-modified region extending from the fiber core to the cladding-air boundary due to laser self-focusing. The shape and size of the orderly microhole on the fiber surface are controlled via changing conditions of FBG fabrication and chemical etching. A simultaneous sensing for surrounding refractive index and temperature is demonstrated by this microhole array FBG through measurement of the transmission power change and Bragg resonant wavelength shift.     

基于阵列波导光栅的智能服装人体测温解调系统研究

研究并实现了一种应用于智能服装中人体温度测量的阵列波导光栅解调系统。分析了系统的解调原理,搭建了光纤布拉格光栅解调实验平台,采用了强度法解调出光纤光栅的布拉格波长,完成了光纤光栅传感器串联前后解调的实验。结果表明,系统对光纤布拉格光栅的布拉格波长的解调具有高线性度,波长测量精度可达0.001 nm,光纤布拉格光栅传感器间串扰所造成的解调误差为0.000 5 nm,人体温度的测量误差为±0.16 ℃。该解调系统精度高、串扰低,可适用于智能服装中人体温度的测量。     

A parallel-multipoint fiber-optic temperature sensor based on Fresnel reflection

A parallel-multipoint fiber-optic temperature sensor for monitoring ambient temperature with a measured temperature resolution of approximately 0.03 °C is presented. The sensor relies on the temperature-dependent Fresnel reflection from each interface between a sensing fiber tip and a thermo-optic medium. An arrayed waveguide grating is used to achieve wavelength-division multiplexed-multipoint sensing. Applying the relative-intensity technique, the errors resulting from fluctuation of the light source and other influences of the environment are eliminated, and the stability for long time measurement can be improved.