柚子型微结构光纤Bragg光栅温度和应变传感特性研究

通过对柚子型微结构光纤Bragg光栅的多个反射峰的温度和应变传感特性进行的理论和实验 研究，得出柚子型微结构光纤Bragg光栅的反射波长与温度呈二次关系，且理论和实验二者 吻合较好; 同时发现每个反射峰的温度灵敏度不同.理论分析柚子型微结构光纤Bragg光栅的 反射波长与应变呈线性关系，实验得到了该种Bragg光栅的反射波长与应变的线性关系，实 验结果与理论分析相吻合.由于微结构光纤光栅反射谱中多个峰对温度和应变等物理量敏感 度不一致，这种Bragg光栅更适合应用到多参量传感领域. 关键词： 微结构光纤 光纤Bragg光栅 温度传感 应变传感     

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.     

一种新颖的温度补偿光纤光栅应力传感测量技术

分析了光纤Bragg光栅的应变响应原理,通过实验观察光纤光栅粘贴在厚度不均的悬臂梁上产生的双峰响应,证明悬臂梁结构的不均匀会使整个光纤光栅受到不同的应力而产生两个反射峰,并且两个反射峰之间的距离随着应力的增加呈线性变化。实验中,当载荷为200g时,两个反射峰之间距离达到0.16nm,而温度变化不会引起两个反射峰之间的变化。利用这种结构的封装,可以克服光纤光栅对温度和应力交叉敏感的问题,消除温度变化引起的应力测量误差,实现一个光纤光栅对应力单参量的测量。     

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。     

分体插接式光纤光栅应变片设计与实现

提出一种适合作为二次变换元件使用的通用型应变传感预制结构——光纤光栅应变片.它以裸Bragg光栅为研究对象,采用分体式设计方法把敏感光栅与连接光纤分别封装于独立的基体中,并通过两个基体相互之间的插入实现了Bragg光栅与测量光路的机械连接.理论分析和实验研究表明:光纤光栅应变片具有与Bragg光栅相同的反射谱,其测量线性度好,灵敏度高,温度误差则随被测试件性质不同而变化,当试件材料与基底材料一致时,温度误差可以忽略.     

采用WDM技术的光纤Bragg光栅传感网络

采用绝对测量原理的波长调制技术,光纤Bragg光栅可组成并行、串行和阵列WDM拓扑结构.分析表明,光纤Bragg光栅网络的工作原理类似于一个多宽带平面镜.利用光谱仪可测量上述光纤Bragg光栅网络的反射谱,其中,光源是宽带为～40nm的掺饵光纤放大器.当网络中的光纤Bragg光栅受扰动后,受扰光栅的反射谱发生相应的变化,即Bragg波长发生相应的偏移.结果表明,当事先确定了光纤光栅的波长调制范围,反射的峰值波长能反应光纤光栅传感网络的信息.值得注意的是～3nm的波长调制范围可满足～100℃和～2000με的参量测量.     

基于空芯光纤和光纤布拉格光栅的温度应变同时测量传感器

提出一种新颖的温度和应变双参数同时测量的光纤传感器。该传感器由空芯光纤和光纤布拉格光栅级联而成。空芯光纤通过反谐振机理将光限制在空气纤芯内传输,满足谐振条件的光泄露出空气芯,在传输光谱上表现为周期性损耗峰。由于空芯光纤和光纤布拉格光栅的物理机理不同,对外界温度、应变的响应存在差异,利用耦合矩阵则可以精确地实现温度和应变双参数的同时测量。实验结果表明,在1550nm波长附近,空芯光纤和光纤布拉格光栅对应的温度灵敏度分别为24.55 pm/℃和12.76 pm/℃,应变灵敏度分别为-0.70pm/με和1.02pm/με,该级联结构的传感器制作简单且具有较高的测量精度。     

基于花生形和光纤布喇格光栅结构的温度不敏感光纤曲率传感器

为了解决光纤传感器波长解调成本高以及交叉敏感的问题,提出一种温度不敏感光纤曲率传感器,该传感器是由花生形结构连接一个光纤布喇格光栅组成,对反射光采用强度解调.光进入花生形结构后激发出包层模式,通过光纤布喇格光栅反射后,反射的纤芯模再次在花生形结构产生不同阶次的包层模,然后和反射的纤芯模耦合,在反射光谱中除了光纤布喇格光栅的布喇格反射峰外,在短波长处出现若干个谐振峰,波长越小,包层模的阶次越高.实验结果表明曲率的变化范围为0.669 0~1.250 0m~(-1)时,测量到反射谐振峰平均光功率为2.260×10~(-7)~1.501×10~(-7) mW,灵敏度为-1.306×10~(-7) mW/m-1,在温度范围25℃~75℃内,反射包层模光功率基本保持不变.该传感器成本低且花生形结构制作简单、机械强度大.     

有限包层半径光纤Bragg光栅的理论研究

采用光纤波导三层模型,对有限包层半径光纤Bragg光栅导模有效折射率的改变进行了理论分析,结果表明:当包层直径小于16μm时,单模光纤Bragg光栅(纤芯直径为8.3μm)的导模有效折射率才开始发生明显变化.在包层外添加外包层,通过改变外包层的折射率可以实现对光栅Bragg反射波长的调谐,同时对不同芯子直径的光栅Bragg波长移动进行了数值计算.在保证光纤归一化频率不变的前提下,芯径越小Bragg波长调谐范围越大,当包层厚度为1μm时,芯径为a＝2.2μm的光栅Bragg波长调谐范围约为3.9μm.     

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。     

用于光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔的改进的Rouard算法

比较了光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔的极限法、平衡法及传输矩阵法3种算法,证明了它们是一致的,指出了光纤布拉格光栅复振幅传输矩阵的相移特性对法布里一珀罗腔透射率的影响.对计算任意折射率调制的光纤布拉格光栅的Rouard算法进行了改进,在分层方法中考虑了折射率分布初始相位的影响,获得了更为准确的反射复振幅相位特性,将该结果应用于计算光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔,得到了光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔具有多峰结构的透射谱,并经过实验验证了该理论的正确性.     

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。     

Dynamic strain monitoring by wavelength locking between two fiber Bragg gratings fiber sensing system

We demonstrated a fiber sensing system using the method of wavelength locking of two identical fibers Bragg gratings (FBG) to interrogate the wavelength shift by directly measuring the intensity of the reflection from the sensing Bragg grating. The light source of the fiber sensing system is an EDFA fiber ring laser pumped by a 980 nm laser diode and a narrow bandwidth fiber Bragg grating for the filter of the ring laser resonator. The wavelength shift is converted to the intensity deviation of the reflection from the sensing FBG under strain variation, and is able to achieve real-time sensing of the dynamic strain sensing in civil engineering. The characteristics and key factors to maintain stability of the dynamic strain sensing system are discussed.     

改善波形并增敏的光纤光栅温度传感技术

选用热膨胀系数较大的聚合物和某种偶联材料,采用特殊工艺用其对裸光纤光栅进行封装,消除了封装过程中所带来的光纤光栅啁啾现象,极大地改善了光纤光栅反射波的波形,提高了封装测试过程的重复性,为波长解调解决了一大难题.在30.6℃~120℃范围内,测量过程中波形很好并几乎不变,温度灵敏度为0.1173 nm/℃,温度分辨率为<0.43℃,比裸光纤光栅增加了11倍;平均灵敏度增敏倍数γ′=10.34,与理论计算灵敏度增敏倍数γ=10.76符合得比较好.聚合物封装光纤光栅的温度响应曲线具有很好的线性.     

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℃。     

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。     

Temperature-insensitive fiber Bragg grating dynamic pressure sensing system

Temperature-insensitive dynamic pressure measurement using a single fiber Bragg grating (FBG) based on reflection spectrum bandwidth modulation and optical power detection is proposed. A specifically designed double-hole cantilever beam is used to provide a pressure-induced axial strain gradient along the sensing FBG and is also used to modulate the reflection bandwidth of the grating. The bandwidth modulation is immune to spatially uniform temperature effects, and the pressure can be unambiguously determined by measuring the reflected optical power, avoiding the complex wavelength interrogation system. The system acquisition time is up to 85 Hz for dynamic pressure measurement, and the thermal fluctuation is kept less than 1.2% full-scale for a temperature range of -10 degrees C to 80 degrees C.     

正弦形构造的光纤光栅自致啁啾效应

结合均匀光栅在受到非均匀应变时会产生啁啾效应的原理,提出了一种利用正弦结构将均匀光栅调制成啁啾光栅的方法。设计了正弦结构的基底材料,将光纤光栅粘贴在基底材料的应变非均匀区,通过施加拉伸载荷将其产生的应变引入FBG栅区,使得FBG产生了啁啾效应,FBG被调制成具有多个反射峰和宽带宽的啁啾光栅;使用有限元软件对正弦结构拉伸载荷下的应变进行了仿真,得到了正弦结构不同位置的应变云图;实验结果在位移载荷最大为8 mm时,得到了带宽增加5倍,反射谱具有多个反射峰的啁啾光栅;结合传输矩阵法对啁啾光栅的反射谱进行光谱仿真重构,仿真光谱与实验光谱趋势基本吻合。