光纤光栅温度应变智能传感原理及增敏技术研究

文章分析了光纤光栅对温度和应变传感的响应机理，对光纤光栅的纤芯材料选择、光纤光栅的写入方法及封装方法等方面进行了综合评述，在此基础上讨论了实现光纤光栅对温度和应变传感增敏的基本原理和方法，介绍了长周期光纤光栅与光纤布拉格（Bragg)光栅融合测量和如何选用对温度和应变灵敏的纤芯材料，研究了超短脉冲激光直接写入法和如何选用热膨胀系数和弹性模量不同的特种聚合材料对光纤光栅进行封装处理。     

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.     

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。     

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.     

FBG应变传感器应力疲劳极限传感寿命评估方法

光纤光栅应变传感器在应力疲劳作用下不可避免地出现性能衰退,为了评估其极限传感寿命,从光纤光栅传感原理出发,理论推导了应力疲劳作用引起的满度相对误差表达式,以工业仪表精确度等级作为传感器的极限状态阈值,提出了基于等强度梁的极限传感寿命测试方法.利用该方法评估了高桩码头结构健康监测应用环境中光纤光栅应变传感器的极限传感寿命,以满度相对误差变化4%作为极限失效阈值,对4支传感器进行了1.32亿应力疲劳实验.当疲劳至1.32亿次时,2支传感器达到极限传感寿命,1支传感器接近极限传感寿命,即极限传感寿命约为1.32亿次.实验结果表明,提出的方法能有效地测试不同结构健康监测需求下,光纤光栅应变传感器的应力疲劳极限传感寿命.     

小直径光纤光栅的研制及传感交叉敏感研究

研究了小直径光纤光栅的研制以及传感中的温度应变交叉敏感问题.首先根据耦合模理论,分析了小直径光纤Bragg光栅光谱特性,确定了包覆层为80 μm的单模光纤加工成中心波长为1 528 nm的Bragg光栅的栅长及周期,并研究了小直径光纤光栅与解设备之间的连接方式.其次利用等强度梁的变形特点,结合矩阵法,提出基于等强度悬臂梁双Bragg光纤光栅矩阵算法,对小直径光纤Bragg光栅的交叉敏感问题进行研究.温度和应变的实验辨别误差分别为5%和6%.实验结果表明,该方法可以分离温度和应变对光纤Bragg光栅传感的影响.采用该方法去除交叉影响,K矩阵始终存在逆矩阵,因此对所采用的光栅无特殊要求,从而扩大了光纤光栅选用范围,并将温度和应变识别出来.     

光强检测型光纤光栅温变不敏感动态压力传感研究

报道了基于光纤光栅反射谱带宽调制和光强差分检测技术实现单一光纤光栅温变不敏感动态压力传感的新方法。设计了一种结构新颖的双孔梁压力传感装置,依据双孔梁有限元受力分析将光纤光栅准确定位于线性梯度应变区,压力作用下光纤光栅反射谱对称展宽,反射光强线性正比于压力变化。基于光波导理论和材料力学原理推导了线性梯度应变场作用下光栅反射谱带宽、反射光强与压力之间的响应关系。利用光强差分检测技术取代传统波长解调方法,简化解调过程的同时传感系统免受温变影响。实验表明,在-10~80℃的温度变化范围内,系统测量误差小于总量程(120kPa)的1.8%,动态响应速度约80Hz,重复测量系统输出稳定,具有较好的应用价值。     

π相移光纤光栅对超声波致非均匀应变场的传感特性

π相移光纤光栅用于水中超声传感时,超声波沿光纤轴向入射和垂直光纤入射时的传感波形及幅度显著不同。针对这一现象,本文建立了基于光学传递矩阵的光纤光栅声传感理论模型,计算了超声波分别沿轴向和沿垂直方向入射时π相移光纤光栅中的非均匀应变场分布,进而分析了光谱偏移,揭示了两种入射角度下π相移光纤光栅的传感特性与声传播导致的应变场分布相关,并通过实验进行了验证。结果表明,两种入射角度产生的不同的非均匀应变场分布对π相移光纤光栅的传感特性影响明显。超声波垂直入射时的传感波形和幅度均优于轴向入射,且π相移处对传感有显著作用。当入射位置远离π相移处时,垂直入射的响应也明显降低。本研究可为π相移光纤光栅超声传感的机理分析提供参考。     

光纤布喇格光栅器件应力疲劳评价理论研究

光纤布喇格光栅器件应力疲劳特性严重影响着光纤光栅应变传感器的长期可靠性,为了评估光纤光栅器件的应力疲劳特性,分析了光纤光栅应变传感器的封装结构对疲劳评价的影响,并以表面直接粘接的简化模型评估了光纤光栅器件的应力疲劳特性.从简化模型的基本力学与光学特性出发,提出以光谱特性的边模抑制比和带宽作为评价光纤光栅器件疲劳的指标体系,以传感特性的灵敏度、线性度和应变传递效率作为评价粘接层疲劳的指标体系.设计了基于等强度梁的光纤光栅器件加速疲劳实验,疲劳的应力幅度为500微应变,频率为18赫兹;1000万次疲劳实验后,三支光纤光栅的带宽平均增加2.07%,平均应变传递效率和平均灵敏度分别下降4.5%和3.9%,实验结果说明提出的指标体系能有效地区分粘接层和光纤光栅的疲劳,从而验证了该评价理论的可行性.     

基于变截面梁的光纤光栅线性无啁啾调谐

从理论上分析了利用变截面（等强度）弹性梁实现光纤光栅波长线性、无啁啾调谐的基本原理，给出了实现无啁啾波长调谐的弹性梁截面满足条件及其设计方案，并讨论了矩形等截面和变截面悬臂梁调谐方案的特点.理论分析与实验结果均表明，通过对变截面梁侧向施加载荷，可以实现光纤光栅中心波长的线性无啁啾调谐，且系统结构简单、易于设计.     

Continuous True-Time-Delay System Employing a Novel Tunable Chirped Fiber Grating Delay Line and a Sampled Grating Based Multiwavelength Fiber Laser

A photonics true-time-delay system for phased array antenna beam steering employing a novel tunable chirped fiber grating delay line and a multi-wavelength erbium-doped fiber ring laser source based on a sampled grating filter is proposed. The tunable chirped fiber grating, which act as a continuous time-delay element, is achieved by bending a uniform fiber Bragg grating bonded at a slant onto the lateral surface of a simply supported beam. This technique allows the dynamic control of the chirp rate and spectral width of the grating without center wavelength shift. By adjusting the chirp rate of the fiber grating via bend strain, this kind of tunable chirped fiber grating could achieve very low and adjustable delay times, therefore provides higher angle resolution for scanning microwave beam, even the wavelengths of laser source are fixed and un-tunable. The true-time-delay system using proposed tunable chirped fiber grating delay element and sampled grating based laser source is constructed and demonstrated experimentally.     

双三角形结构的光纤光栅压力和温度双参量传感器

为解决压力和温度同时测量时的交叉敏感问题,提出一种基于双三角形悬臂梁结构的光纤光栅压力、温度双参量测量传感器. 在外界压力作用下,光纤布喇格光栅反射谱分裂成双峰结构,悬臂梁的应变调制传感光纤光栅双峰间距,温度变化转变成反射谱整体的移动. 实验结果表明该结构可实现单光栅双参量测量,且具有良好的线性和可重复性.     

Three-port beam splitters-combiners for interferometer applications

We derive generic phase and amplitude coupling relations for beam splitters-combiners that couple a single port with three output ports or input ports, respectively. We apply the coupling relations to a reflection grating that serves as a coupler to a single-ended Fabry-Perot ring cavity. In the impedance-matched case such an interferometer can act as an all-reflective ring mode cleaner. It is further shown that in the highly undercoupled case almost complete separation of carrier power and phase signal from a cavity strain can be achieved.     

环带阶梯形光栅限幅器的光场分布

 设计了一种环带阶梯形光栅限幅器,理论推导并数值模拟了光束通过该限幅器后在限幅光阑平面上的光场分布,定量分析了光强分布随光栅参数的变化规律。结果表明:环带阶梯型光栅实际上是一种闪耀光栅,选择合适的结构参量,可使能量集中分布在偏离光阑中心较远且宽度较大的圆形环带上;亮环位置由光栅递增厚度、光栅周期等参量确定;衍射最亮环位置随光栅递增厚度的增加周期性改变,当递增厚度满足一定条件时,最亮环位置与入射激光波长无关,这对设计多波段的光限幅器比较有利。     

基于弯曲伸张结构的光纤光栅传感研究

以民用工程结构如桥梁、大坝、高层建筑的健康检测为背景, 采用光纤光栅传感器实现对结构性能的实时监测和诊断, 及时发现结构的损伤以评估结构的安全性. 提出了一种可用于光纤光栅传感的新型弯曲伸张弹性敏感结构, 可实现对压力、应变以及加速度的准确测量. 对该结构弯梁腹部处的应变进行了理论分析和实验验证, 结果表明弯梁腹部处各点的应变与该弯曲伸张结构在竖直方向上所受压力、应变以及加速度大小成线性关系. 其最大的优点是同样灵敏度下体积小, 在井下等横向尺寸受限、又要测量纵向加速度的情况下, 梁式传感结构很可能无法使用, 该新型弯曲伸张型弹性敏感结构可作为弹性元件用于光纤光栅压力、应变、称重以及加速度传感器的设计.     

一种新颖的光纤光栅带宽调谐方法

提出了一种新颖有效的光纤光栅带宽调谐方法,将光纤布拉格光栅斜向粘贴到矩形截面弹性梁的侧面上,通过调节弹性梁的曲率,实现了对光纤布拉格光栅的线性带宽调谐,调谐后的光纤光栅带宽可达11．32nm,中心波长的变化小于0．1 nm。     

Finite strip analysis of flat skin-stringer structures

A flat, rectangular finite strip element and a compatible thin-walled, open section beam element are used to predict the vibration characteristics of flat skin-stringer structures of riveted construction. Strip only idealizations and strip plus thin walled, open section beam idealizations have been used in the analyses. The effects of neglecting skin membrane action and varying the effective width of stringer-skin attachment are investigated.     

利用双周期光纤光栅实现应变和温度同时测量

提出了一种新颖双周期光纤光栅传感器。在同一段氢载光纤上先后写入长周期光纤光栅、短周期布拉格光纤光栅 ,利用长周期光栅和布拉格光栅对应变和温度敏感性的差异 ,可实现应变和温度的同时测量。实验中采用这种灵敏结构的双周期光栅 ,在 0～ 170 0 με和 2 0℃～ 12 0℃范围内 ,测量精度可达到± 16 με和± 0 8℃。     

用一根光纤光栅实现温度与应变的同时测量

报道了一种用一根光纤光栅实现温度与应变同时测量的新方案。用于同时传感温度与应变的光纤光栅写于两种不同光纤的连接处,本身具有两个反射峰。将其中半个光栅粘于热膨胀系数较大的基底材料上,这样,两个反射峰便具有不同的温度及应变响应,由此实现温度与应变的同时测量。