基于光纤Bragg光栅的锚索拉伸力测量研究

锚索通常工作在高应力状态,其健康状况直接关系到边坡的安全和稳定。为了实时反映锚索的受力状态,将光纤Bragg光栅粘贴在锚索钢丝表面。锚索受力发生形变,从而使粘贴在锚索表面的光纤Bragg光栅中心波长发生移位。拉伸试验表明:拉伸力灵敏度为19.9pm/kN,线性度为1.02%FS。通过对光纤Bragg光栅中心波长移位量的测量,可以实现对锚索所受拉伸力的在线监测。     

基于光纤Bragg光栅的量测锚头压力研究

锚头的受力情况对整个锚杆的安全性有着重要影响。为了实时反映锚头的受力状态,将2只光纤Bragg光栅沿45°粘贴在轮辐式结构锚头的两根对称辐条中点处表面上,形成轮辐式测力传感结构,辐条在压力作用下产生剪切变形,引起辐条表面的光纤Bragg光栅中心波长移位。通过对光纤Bragg光栅中心波长移位的测量,实现在锚头处锚杆轴向拉力的在线监测。锚头压力实验表明:光栅1的测力灵敏度为108.8pm/kN,线性度为0.042%FS;光栅2的测力灵敏度为115pm/kN,线性度为0.023%FS。     

水杯式光纤Bragg光栅沉降仪的研究

沉降仪是测量路基、桥梁、隧道、边坡等结构物沉降的重要仪器。利用上、下容器相连通结构,研制了一种水杯式光纤Bragg光栅沉降仪。当沉降发生时,在压差的作用下,膜片产生的挠度推动传压杆使等强度悬臂梁的自由端产生同样大小的挠度变化,使粘贴于等强度悬臂梁表面的光纤Bragg光栅发生拉伸,进而导致中心波长发生移位,实验通过检测波长移位可获得沉降量。分析结果显示,光纤Bragg光栅波长移位对沉降量呈现良好的线性关系,沉降仪的灵敏度可达15.4pm/cm,线性度为1.73%FS,迟滞为0.984%FS,重复性误差为3.61%FS。     

水杯式光纤Bragg光栅沉降仪的研究

沉降仪是测量路基、桥梁、隧道、边坡等结构物沉降的重要仪器。利用上、下容器相连通结构,研制了一种水杯式光纤Bragg光栅沉降仪。当沉降发生时,在压差的作用下,膜片产生的挠度推动传压杆使等强度悬臂梁的自由端产生同样大小的挠度变化,使粘贴于等强度悬臂梁表面的光纤Bragg光栅发生拉伸,进而导致中心波长发生移位,实验通过检测波长移位可获得沉降量。分析结果显示,光纤Bragg光栅波长移位对沉降量呈现良好的线性关系,沉降仪的灵敏度可达15.4pm/cm,线性度为1.73%FS,迟滞为0.984%FS,重复性误差为3.61%FS。     

双悬臂梁光纤Bragg光栅应力传感器

报道了一种新颖的光纤Bragg光栅应力传感器.理论分析和实验证明了这种传感器Brrag光栅中心波长随应力变化的线性工作区.将光纤Bragg光栅贴于双悬梁的梁端面,在双悬梁的自由端部施加载荷,对光纤Bragg光栅的应力响应特性测试.当所加载荷为300 g时,光纤Bragg光栅中心波长变化了0.156 nm.从实验上获得了－0.05 nm/N的应力响应灵敏度.该结构具有应力增敏作用,且应力响应的线性、重复性和迟滞性较好.应力响应灵敏度随着梁的大小以及材料的力学参量的改变而改变.     

差动式光纤Bragg光栅沉降仪

研制了一种测量地表沉降变形的差动式光纤Bragg光栅沉降仪。等强度悬臂梁的底部固定于工地上的固定平台,顶端通过刃口、挂钩和连杆与沉降墩连接。在该测量中,沉降仪将沉降墩的地沉降量转换为悬臂梁的挠度。悬臂梁作用粘贴于其上下表面的光纤Bragg光栅产生应变,即传感光栅的Bragg波长产生了移位。对粘贴在悬臂梁上、下表面的传感光栅的Bragg波长进行差动运算,实现温度补偿,减小人为和气候因素的影响。在挂钩和沉降敦之间采用了螺旋结构连接,可通过调整螺旋或更换不同长度的挂钩来调节传感器的测量范围。荷载实验表明,该沉降仪的测量精度为0.004mm,低于变形测量中的科研级测量精度0.01~0.05mm。     

一种新型高灵敏度光纤布拉格光栅压力传感器

报道了一种用于油气井(oil down-hole)下薄壁应变筒(thin-will strain canister)作为压力衬底的高灵敏度光纤Bragg光栅压力传感器,实验测得压力灵敏度为1 .2 3×1 0 - 4MPa- 1 ,较已报道的其他光纤Bragg光栅传感器压力灵敏度高出许多倍.     

测量熔融金属密度的浮子式光纤Bragg光栅传感器

密度可以解释熔融金属的性质和行为,密度的变化特征反映了熔融金属内部原子距离和配位数等的基本变化。研制了一种测量熔融金属密度的浮子式光纤Bragg光栅传感器,浸没在熔融金属中的浮子受浮力作用,通过传递杆、等臂杠杆及连杆,拉动等强度悬臂梁产生扰度变化,根据检测粘贴在等强度悬臂梁表面的光纤Bragg光栅中心波长移位值,测出浮力值,进而检测熔融金属密度。该传感器的理论灵敏度为0.115pm/(kg/m3),4次实验得到熔融金属的平均密度为7.574×103 kg/m3,略小于理论密度7.621×103kg/m3,相对误差为0.62,均方根误差为117.371kg/m3。     

基于匹配滤波解调的多芯Bragg光栅曲率传感器

设计了一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器,并采用匹配滤波技术实现曲率解调。多芯光纤Bragg光栅曲率传感器是通过在多芯光纤的两个中心对称纤芯中写入Bragg光栅实现的。两个光纤Bragg光栅具有相似的反射谱和中心波长,当多芯光纤发生弯曲时,两个光纤Bragg光栅的反射谱叠加区域将发生改变。将两个光纤Bragg光栅构造成匹配滤波模式,则两个光纤Bragg光栅反射谱的叠加区域面积决定了输出信号的光强,而叠加区域的面积与光纤曲率有关。因此,通过测量匹配滤波信号的功率可以实现曲率解调。结果表明,匹配滤波技术能有效解调多芯光纤Bragg光栅曲率传感器,最大曲率解调灵敏度为0.78mW·m~(-1)。此外,测量了多芯光纤Bragg光栅曲率传感器在不同轴向应变和环境温度下的解调性能,结果表明,该曲率解调系统具有很强的抵抗外界环境波动的能力。     

基于封装光纤Bragg光栅传感器的混凝土应变监测试验研究

研究了光纤Bragg光栅封装工艺,提出并实现了两种封装光纤Bragg光栅传感器:工字型钢管封装光纤Bragg光栅应变传感器及钢管封装光纤Bragg温度传感器。研究了传感器的埋设工艺,采用金属丝固定法、钢管抽出法两种方法进行了埋设。将它们埋入到钢筋混凝土梁中,实现对混凝土的拉、压应变及温度的测量。结果显示,在试验梁弹性阶段,可以较为准确的监测混凝土应变。     

光纤布喇格光栅沉降传感器

根据光纤布喇格光栅的光学传感原理,提出了一种基于悬臂梁及金属弹性膜片的光纤布喇格光栅沉降传感器结构,对其传感特性进行了实验研究.实验通过产生水的液位差来模拟地基沉降,分析结果显示,光纤布喇格光栅中心反射波长漂移对液位差呈现良好的线性关系,线性度高于0.999,灵敏度可达-2.11 pm/mm.通过改变悬臂梁厚度和有效长度,可以对传感器测量范围和灵敏度进行调整,以满足各种应用场合.综合实验结果,该传感器在桥梁、铁路地基等沉降监测方面具有重要意义.     

荧光光纤光栅传感特性的实验研究

在载氢掺铒光纤上写入Bragg光纤光栅，得到新型光子学器件-荧光光纤光栅.分别对其Bragg波长（λB）及荧光寿命（τ）的温度（T）及应变（ε）响应特性进行了实验研究，并且给出了λB和τ分别关于（T，ε）的拟合方程.实验结果表明：荧光光纤光栅的λB对T和ε的响应具备一般Bragg光纤光栅的优良特性，测得温度灵敏度为11.1pm /℃，应变灵敏度为1.19pm/με；而且τ对T和ε的响应也具有良好的线性关系，温度灵敏度为0.59 μs/℃，应变灵敏度为6.16 ns/με.实验结论为解决温度应力交叉敏感、实现温度应力的同时监测提供一条新颖的途径.     

横向衍射技术测量光纤光栅的特性

提出了一种用Ｈｅ－Ｎｅ激光侧面照射光纤光栅，从另一侧探测光栅的布拉格衍射效率来测量光纤光栅光谱特性的技术，并用该技术测量了光栅的折射率变化的分布。     

基于光纤光栅传感器的体外血管模型应力测量北大核心CSCD

血管中的血液流动会对血管壁产生周向应力,周向应力与血管的结构及功能变化密切相关,测量体外血管模型的周向应力是生物力学研究中较重要的问题。提出了利用光纤光栅测量血管周向应力的方法,基于微流控技术利用钢针模具建立了集成光纤光栅的三维圆形血管模型,通过仿真研究了不同流动速度与应力的关系。仿真结果得到流速在8 mm/s~75 mm/s范围内,应力随速度的改变呈线性变化。利用光纤光栅传感器测量了流体流动时产生的周向应力,根据实验得到了光栅波长改变量与速度的关系,流速范围在8 mm/s~75 mm/s之间变化时,速度引起波长的变化为0.173 nm。结合仿真实验得到了应力与光栅波长改变量的关系,为血液流动时产生周向应力的体外测量提供了新思路。     

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.     

S+C+L波段色散斜率补偿光子准晶体光纤

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:249 pm/N、330 pm/N和1.1 pm/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.     

可同时测量蔗糖浓度和温度的组合光纤光栅传感器

为了实现蔗糖溶液浓度与温度的同步精确测量,采用组合式光纤光栅,通过线性折射率分区,构成相应的系数矩阵。首先,基于模式耦合理论,采用光纤布拉格光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPBG）形成组合式光纤光栅,实现了双参数测量的光学传感器。此组合式光纤光栅结构中,FBG响应温度测量,LPFG同时响应蔗糖溶液浓度和温度测量。然后,在两个线性折射率范围,即1.33~1.42和1.42~1.44中,校正温度和蔗糖溶液浓度的相关系数。最后,构成两个敏感系数矩阵,来讨论蔗糖溶液浓度和温度同时测量的方法。实验结果表明：蔗糖溶液浓度测量灵敏度达到-213.5 pm/RIU,温度测量灵敏度达到117.9 pm/K。因此,组合式光纤光栅传感器作为光化学传感器具有高灵敏度的特性。     

Investigation of a multiwavelength raman fiber laser based on few-mode fiber Bragg gratings

We propose and experimentally demonstrate a simple multiwavelength Raman fiber laser based on few-mode fiber Bragg gratings without additional multichannel filters. The multiwavelength Raman laser output has a high extinction ratio of more than 45 dB. The multiwavelength output is so stable that the peak power fluctuation is less than 0.5 dB. The number of lasing wavelengths can be adjusted, corresponding to the properties of few-mode Bragg gratings with multiple resonant wavelengths. By the thermal tuning method, the lasing wavelength of each channel can be effectively controlled, and the laser's tunability is measured to be 10.5 pm/ degrees C.     

用于机械振动实时监测的光纤光栅有源传感装置

把一对中心反射波长分别为1562.11nm和1562.71nm的光纤光栅粘贴在均质、等厚、等腰三角形悬臂梁上下表面作为环形腔光纤激光器端镜，当机械振动激励自由端时，通过观测激光输出脉冲，地施加于自由端的机械振动的频率进行了实时监测；观察两光栅波长漂移量差值的变化，可在0～6.1mm的范围内判断所测振动的振幅。低于100Hz时，实验结果与实际值基本吻合。