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。     

基于光纤光栅的冲击能检测

提出一种利用光纤光栅作为传感元构成传感阵列对冲击能进行检测的方法.通过搭建简易冲击系统装置,将光纤光栅应变传感器沿轴向对称粘贴于圆杆表面,对入射应力波能量进行检测.实验结果表明,两杆对心正冲击时入射应力波幅值最大,能量传递效率最高.通过分析频率域内的应力波信号可知,其能量主要集中在0~5 000Hz频率范围内.将入射应力波能量与冲杆动能进行对比,结果表明冲杆与圆杆传递能比在93%以上,基本满足冲击机械性能测试的需求.     

动态应变场下相移光栅光谱特性及实验研究

光纤传感技术以其抗电磁干扰、高精度、易组网等优势在航空航天及地下工程领域的声发射传感中得到了广泛应用。针对光纤光栅声发射监测系统,目前研究侧重于均匀光纤光栅的动态应变场传感特性,基于相移光纤光栅(phase-shifted fiber Bragg grating, PS-FBG)这一新型光纤光栅器件,重点研究声发射激励产生的动态应变场下相移光纤光栅的光谱特性变化规律。首先利用传输矩阵理论,建立PS-FBG的动态应变传感模型,利用指数衰减的余弦函数模拟声发射激励产生的动态应变场。通过数值仿真,详细研究PS-FBG光谱对动态应变场幅度、采样时刻、衰减系数、声发射频率及波长的响应特性。结果表明,PS-FBG反射谱形状随声发射频率与采样时刻呈现周期性变化,具体表现为透射窗口所对波长产生周期性漂移,而带宽变化不明显;随着动态应变场幅值越大,PS-FBG反射谱的谐振峰向两侧逐渐增多,透射窗口所对波长漂移很小;一定范围内衰减系数对PS-FBG光谱影响较大;而当声发射波长为0.1～2 L时,对PS-FBG光谱产生较大影响,此时光谱畸变较严重,在此范围外,光谱形状不发生明显变化。最后,搭建连续信号激励下的动态应变场实验平台,分析不同幅度a与频率f变化下PS-FBG的光谱特性,实验结果与仿真结果较好吻合。表明PS-FBG光谱对不同声发射激励产生的动态应变场响应不同,呈现一定规律性,该研究为基于相移光纤光栅传感技术的声发射传感提供理论指导。     

相移光纤光栅耦合系数控制

为了通过遮挡法实现不同耦合系数π相移光纤光栅制作,分析了刻制过程中的相移形成原理,提出通过调整遮挡区长度和π相移周期次数控制π相移光纤光栅耦合系数的方法.采用传输矩阵法对刻制相移光纤光栅过程中的透射谱变化进行仿真计算,分析了不同光栅条纹可见度下遮挡区长度对相移光纤光栅透射谱的影响.基于不同遮挡区长度进行了相移光纤光栅制作实验,结果表明:通过调整遮挡区长度和π相移出现次数能够实现对相移光纤光栅耦合系数的有效控制.     

布里渊动态光栅原理及其在光纤传感中的应用

自从2007年布里渊动态光栅被首次提出用于实现光存储以来,该技术得到了国际上的广泛关注和研究.布里渊动态光栅本质上是由相干声波场激发的折射率光栅,一般情况下两束抽运光(频率差等于光纤的布里渊频移)以相同的偏振态从光纤两端注入到光纤中,通过受激布里渊散射效应激发出相干声波场,即形成布里渊动态光栅.光纤布里渊动态光栅因具有全光产生、参数灵活可控的优点,已被广泛研究应用于光纤传感、光纤特性表征、光存储、全光信号处理、微波光子学和高精度光谱分析等.本文分析布里渊动态光栅产生和探测原理,重点探讨在高性能分布式光纤传感上的应用,这些应用包括高灵敏度温度和应变分布式传感、温度和应变同时解调、分布式横向压力传感、分布式静压力(气压或液压)传感、高空间分辨率分布式传感和高精度光谱分析.     

啁啾相移光纤光栅分布式应变与应变点精确定位传感研究

利用啁啾相移光纤光栅狭缝的中心波长对应变点和应变量的波长敏感性,实现应变与应变点精确定位的传感.当啁啾光纤光栅上的某一位置产生微应变时,该应变点会产生相移,其频谱则会出现一个与之对应的狭缝,且狭缝的深度和中心波长与应变的大小和位置相关.当串接不同中心波长的啁啾光纤光栅后,即可实现一定范围内的分布式应变与应变点精确定位检测.本文通过V-I传输矩阵法建立了狭缝深度和中心波长关于应变量和应变位置的理论模型,分析结果表明理论上可以实现微米量级的精确定位.搭建了级联啁啾相移光纤光栅的分布式应变传感装置,实验获得的最大应变灵敏度为0.19 pm/με.该精确定位传感装置在先进制造、精密加工、航空航天、铁路系统等高新技术领域具有重要的应用前景.     

基于光纤光栅传感的金属薄板超声探测

搭建了光纤光栅检测超声应力波系统,并阐述其工作原理,以动态应变与光纤光栅中心波长漂移量间关系为基础,推导得出输出电压与板中应变成线性关系.采用超声信号发生器发射28kHz的脉冲信号激励超声振子,通过有机玻璃楔形块将激励传递至5052铝合金薄板产生超声应力波,并利用光纤光栅应变传感器对其进行探测.在板上开一98mm长裂缝,测得超声应力波中出现新的波包,通过计算损伤前后新增波包到来的时间差确定裂缝位置,所测结果与实际位置偏差为2.7mm.该实验表明光纤光栅可代替超声探头来实现对低频超声波的探测.     

Yb3+相移分布反馈光纤激光器的理论分析

对相移分布反馈掺Yb^3 光纤激光器进行了理论分析，发现当相移为π时，增益阈值最小，相移越远离π，增益阈值越大，信号波长越偏离布拉格波长；随着光纤光栅耦合系数的增加，激光器的增益阈值越小，输出功率越大；相移分布反馈光纤激光器的正向和反向输出持性与光纤光栅的相移点的位置有关。     

一种结构新颖的光纤光栅有源传感器

提出了一种新颖的光纤光栅有源传感方法,并将其应用于光纤光栅应变与温度传感研究,实验结果与理论分析相符合.该传感系统具有结构简单、线性响应度高、灵敏度高、信噪比高等优点.     

一种高灵敏度复合环形腔结构的光纤激光拍频位移传感方案

提出并验证了一种高灵敏度复合环形腔结构的激光拍频位移传感技术方案.该方案采用环形腔复合直腔的谐振腔结构,利用激光拍频传感原理实现传感系统信号的解调.该结构通过掺饵光纤放大器提供增益,采用光纤布拉格光栅作为传感头兼直腔反射镜,利用π相移光栅进行窄带滤波.理论分析结果表明激光拍频频率随传感头应变的增加线性减小;实验结果显示,当监测频率为1.7483 GHz时,传感器的灵敏度达到了86.19 kHz/mm,线性拟合度为0.9973,最小可分辨位移为10μm左右,该系统同时具有空间位置分辨的潜力.结果表明所提出的新型位移传感方案是可行的,结构紧凑、简单实用、灵敏度高,为将来实现高精度、微型化以及分布式传感系统打下基础.     

采用双方波信号和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅

提出了一种采用双方波信号和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)的方法,并进行了实验验证.单个方波周期设置为相邻WFBG间光纤中激光往返传输的时间,对单个方波进行猝发操作形成双方波,则前WFBG反射的后方波与后WFBG反射的前方波重叠干涉.采用B-样条小波变换降低干涉信号的噪声,利用Hilbert变换对干涉信号进行π/2相移,对原干涉信号和相移后干涉信号比值进行反正切运算,得到干涉信号的相位信息.将间隔为50m的5-WFBG阵列置于木地板上,分别接收不同振幅和频率的正弦声波,采用上述方法解调的干涉相位信号能较好地反映声波信息.该解调方法解调光路简单,数据处理简单.     

单点相移光纤光栅光谱特性的研究与应用

可调谐窄线宽掺铒光纤激光器具有线宽窄、噪声低等优点,在光纤通信、光纤传感、相干探测和合成等方面有广泛的应用。根据传输矩阵法, 利用Matlab软件仿真出单点相移光纤光栅的透射谱,通过对不同相移量、不同相移点位置、不同光栅的长度以及不同纤芯有效折射率的单点相移光纤光栅透射谱进行分析,得到了影响其相移峰的透射率、线宽、位置的主要因素,并提出了一种利用相移量为π且相移点在中点的相移光纤光栅作为滤波窗口的可调谐窄线宽掺铒光纤激光器的方案。     

π相移光纤光栅的温度调谐特性

根据π相移光纤光栅的温度可调谐原理,使用半导体制冷器(TEC)和制冷片控制π相移光纤光栅的温度,从而改变其中心波长。随着温度升高,π相移光纤光栅的中心波长向长波方向线性漂移,温度从0℃变化到95℃时,中心波长从1548.921nm变化到1550.664nm,波长改变量为1.743nm,灵敏度约为18.35pm/℃。为了验证π相移光纤光栅温度调谐的特性,采用与其匹配的高反光纤光栅构成了C波段环形腔光纤激光振荡器,利用π相移光栅的窄带滤波特性实现了窄线宽激光输出,并通过控制π相移光栅的温度实现了输出激光波长的连续调谐。     

高频CO2激光脉冲写入的相移长周期光纤光栅

运用矩阵传输法，并结合长周期光纤光栅的模式耦合理论，阐述了相移长周期光纤光栅传输光谱的形成原理.利用高频CO2激光脉冲制作出相移长周期光纤光栅.该方法仅需用计算机绘制光栅结构图形，再由计算机依照此图形控制CO2激光器对普通光纤曝光，就可自动完成光纤光栅的制作.实际制造出一条相移长周期光纤光栅，在1520~1570 nm和1610~1670 nm波长范围内分别呈现出相移图样，相移波段的通带中心波长分别为1546 nm和1640 nm.对光栅进行温度测试，观测1610~1670 nm范围内相移光谱的变化，发现相移光栅的通带及阻带中心波长具有相同的温度变化系数，其数值为0.064 nm/℃，另外又测试了光栅的应变特性，灵敏度约为－0.51 nm/mε.因此在利用光栅温度特性或应变特性做传感的过程中，可以仅测试通带中心波长的变化，实现低成本多样化的测量手段.     

基于新型长周期光纤光栅的低成本应变传感系统

首次利用高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅的边缘滤波效应，实现了静态与动态应变的测量.使用单波长输入光，光信号经过长周期光纤光栅衰减后进入光电探测器，最终输出电压信号.当对光栅施加应变时，其中心波长将发生漂移，由于光栅阻带的边缘滤波效应，光电探测器接收的光强会随之变化，测量其输出的电信号，可以得出光栅发生的应变大小与频率.对于静态应变测量，可分辨的最小应变小于10 με，精度为±10 με;在动态实验中,发现光栅能够响应5 kHz以上的动态应变.这种传感系统结构简单，成本低,响应快.     

可分离温度影响的FBG应变测量方法

光纤布拉格光栅在通信和传感领域具有广泛的应用。利用光纤布拉格光栅中心波长的偏移，可以测量温度和应变等多种物理量，但必须解决光栅对温度和应变的交叉敏感问题。该文简要分析了光纤光栅作为传感器的基本原理及其优点，设计了利用参考光栅法分离温度影响以及利用掺铒光纤的自发发射放大特性分离温度影响的2种应变测量方法。最后，介绍了一种利用倾斜光纤光栅的主模和边模对布拉格光栅中心波长的偏移进行解调的方法，该方法成功地分离了温度对应变测量的影响。     

基于相移光纤光栅的布拉格波长解调原理的分析

提出了一种基于相移光纤光栅(phase shifted fiber grating)的布拉格波长解调技术，相移光纤光栅在反射谱阻带中能打开线宽极窄的一个或多个通透窗口，而且窗口位置随所加相移量的大小呈线性变化。实验中应用电流调谐相移量以实现布拉格波长的解调。选用最大波长偏移量为2nm的相移光纤光栅进行调谐滤波，温度的测量范围可达到200℃，应变的测量范围可达到2000μs。实验表明利用相移光纤光栅进行布拉格波长解调，取得了预期的效果，为布拉格波长解调技术提出了新的思路。     

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。     

光纤光栅两阶衍射的模式耦合理论探讨

利用光纤光栅的1、2阶衍射实现温度/应变复合传感是近年来光纤光栅传感器研究领域的一个热点.理想情况下,光纤光栅的折射率分布函数是单一频率的余弦函数,而实际光纤光栅由于制造工艺的影响产生高阶折射率畸变.本文着重利用光波导模式耦合理论分析了这种非理想的折射率分布对光纤光栅反射性能的影响,得出了2阶折射率畸变将引起光栅的2阶衍射的结论;并简要探讨了利用光纤光栅的1、2阶衍射实现温度/应变复合传感方案存在的可能性.     

长周期保偏光纤光栅的偏振特性研究

用高频CO2激光脉冲写入法在熊猫保偏光纤上写入长周期光纤光栅,并对其偏振特性进行了全面的试验研究.试验结果表明,在输入椭圆偏振光偏振角度0到2π的变化范围内,高频CO2激光脉冲写入法在熊猫保偏光纤上写入的长周期光纤光栅谐振峰幅值会随着入射椭圆偏振光偏振角度的改变发生以π为周期的周期性变化,并且相邻两谐振峰幅值变化趋势相反,相位差为π.在相同偏振角度下将两谐振峰幅值相减,其差值呈近似于锯齿波的周期性变化,周期也为π.在没有发生模式干扰的情况下,谐振峰波长几乎没有发生漂移.基于模式耦合理论,文中还对所观察到的试验现象进行了定性的理论解释.