光纤Bragg光栅应变、温度交叉敏感问题的研究

解决应变和温度的交叉敏感,实现应变和温度同时测量一直是光纤光栅传感器研究的关键问题。从应变和温度交叉敏感的物理机制出发,较为全面地介绍了几种主要解决方案：双波长矩阵法、2个包层直径不同的FBG法、啁啾光栅法等。并且基于双波长矩阵法,提出了一种基于管式弹性应变敏感元件的光纤光栅传感器结构,很好地实现了温度150℃,压力20MPa的同时区分测量,其温度灵敏度为0.02nm/℃。解决了温度和应变同时区分测量这一技术难题。     

压力与温度双参量传感优化系统的研制

研究了一种基于管式弹性应变敏感元件的光纤光栅传感器结构。利用双光纤布拉格光栅(FBG)产生双反射峰．对压力和温度进行了同时区分测量。在压力为0～20MPa,温度为20～150℃的范围内,布拉格反射波长对应压力与温度的变化均呈现良好的线性响应特性,响应灵敏度分别为0．089nm／MPa和0．024nm／C^-。压力温度双参量系数矩阵的实验拟合值与理论计算值之差仅占理论计算值的1．8％。该方法与标准测量方法比较,压力的准确度为0．47％;温度的准确度为0．74％。该方法还较好地削减了压力与温度交叉敏感的影响,按压力与温度测量的最大量限计算,温度对压力交叉影响的误差仅为0．16％。     

基于纤芯失配和光纤布拉格光栅实现温度和应变同时测量

基于纤芯失配理论,提出了一种多模单模多模（MSM）结构与光纤布拉格光栅（FBG）级联实现温度和应变同时测量的光纤传感器。利用MSM结构的干涉谱和FBG对温度和应变的不同响应灵敏度,实现了对温度、应变的同时测量。实验结果表明,在20 ℃~80 ℃的温度范围内,MSM结构的干涉谱和FBG的温度灵敏度分别为0.091 nm/℃和0.0102 nm/℃;在0～650 με的应变范围内,应变灵敏度分别为 -0.0013 nm/με和0.0012 nm/με。因此利用敏感矩阵,即可实现对温度和应变的同时测量,且温度和应变的最大测量误差分别为±0.2 ℃和±8.25 με。该结构灵敏度高,结构简单,且不易受电磁等干扰,实验结果具有良好的线性度,在工程领域应用前景良好。     

光纤布拉格光栅与空芯光纤多模干涉混合型温度应变双参量传感器

针对光纤应变传感器由于温度敏感而引入的测量问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅和空芯光纤多模干涉效应的混合型温度-应变双参量传感器。该传感器由两根单模光纤与一段内径小于单模光纤纤芯直径的空芯光纤熔接制成,其中一根单模光纤的光纤端面附近预刻一组光纤布拉格光栅。空芯光纤长度为厘米量级,光波以多模形式在空芯光纤侧壁中传播。结合光纤布拉格光栅和空芯光纤多模干涉效应对温度和应变的不同响应灵敏度,通过求解双参数耦合矩阵同时获取温度和应变两个参量,并有效解决了单个传感器在温度或应变测量时的温度-应变交叉敏感性问题。采用中心波长为1 550.172 nm的光纤布拉格光栅与一段长为2.5 cm、内径为5μm的空芯光纤制备了相应的传感器,并进行了温度和应变测试。结果表明,光纤布拉格光栅和空芯光纤的温度灵敏度分别达到10.530 6 pm/℃和1.802 1 pm/℃,应变灵敏度分别达到0.720 7 pm/με和1.243 2 pm/με。     

高灵敏度双光纤布拉格光栅应变传感实验教学系统

设计了基于双光纤布拉格光栅(FBG)的高灵敏度应变光纤传感实验教学系统.两只具有不同反射中心波长(1 546.209 nm和1 541.713 nm)的FBG串联熔接后,分别黏贴于等强度悬臂梁的上表面与下表面.通过测量两只FBG的反射中心波长差值与等强度悬臂梁应变量的关系,实现对应变量的传感测量.仿真结果显示,双FBG应变传感的灵敏度为单FBG应变传感的2倍,且具有温度自补偿特性.实验结果验证了仿真分析的结论,测得双FBG应变传感的灵敏度为2.10 pm/με,且传感测量准确性不受环境温度变化影响.     

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.     

FP腔与MZI级联的三参量同时测量的光纤传感器

制作了敏感材料修饰的拉锥光纤与微腔级联的多参量光纤传感器,并用实验研究了其应变、温度和湿度特性。所提微腔由飞秒激光划线放电形成,并对其进行拉锥。传感器的反射光谱干涉峰对应变的变化敏感,实验结果表明应变灵敏度为4.8 pm/με。然而,该结构对温度与湿度均不敏感,在该结构的锥部涂覆了掺入石墨烯量子点的聚乙烯醇之后,温度和湿度的灵敏度明显提升,此时最大温度灵敏度为20.4 pm/℃,最大相对湿度灵敏度最大为14.6 pm/%。对Dip1、Dip2、Dip3进行分析,再利用三阶矩阵消除交叉敏感,能够同时测量应变、温度和湿度。     

少模光纤长周期光栅双峰谐振及双参量传感

在少模光纤中写制的纤芯LP_(01)模式向纤芯LP_(11)模式耦合的长周期光纤光栅具有双谐振耦合现象,且该双谐振耦合峰随着温度或应变的增加向相反的波段漂移,从理论和实验上揭示了该现象产生的机理,并基于该现象及特性设计了温度、应变双参量传感器。与传统的基于纤芯基模与包层模耦合的长周期光纤光栅传感器相比,该传感器具有折射率不敏感、光谱稳定、灵敏度高等优势。     

基于光纤光栅的一体式靶式流量传感技术

针对以往液压系统检测中存在的特点,如结构杂、体积大、精度低,设计了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的一体式靶式流量传感器。分析了FBG及靶式流量传感原理,设计出一种组成紧凑、便于密封以及拆装的一体式靶片,将放在流体里的靶片受到的与流速成相关变化的冲击力变为FBG波长的漂移,双FBG对称分布,分别放在悬臂梁两表面中轴线处,这种差动形式可以很好地增加灵敏度,并且可以解决应变和温度的交叉敏感现象。通过FLUENT分析了流体形式,结果显示这种结构给流体造成的影响比一般结构小。实验测试过程中,双FBG中心波长总变化数值和放置于靶片的质量呈现出明显的线性变化,并且灵敏度为一个FBG灵敏度的双倍,可靠性以及稳定性较好。     

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。     

Parallel demodulation system and signal-processing method for extrinsic Fabry-Perot interferometer and fiber Bragg grating sensors

A parallel demodulation system for extrinsic Fabry-Perot interferometer (EFPI) and fiber Bragg grating (FBG) sensors is presented that is based on a Michelson interferometer and combines the methods of low-coherence interference and Fourier transform spectrum. Signals from EFPI and FBG sensors are obtained simultaneously by scanning one arm of a Michelson interferometer, and an algorithm model is established to process the signals and retrieve both the wavelength of the FBG and the cavity length of the EFPI at the same time, which are then used to determine the strain and temperature.     

Simultaneous strain and temperature measurement of advanced 3-D braided composite materials using an improved EFPI/FBG system

Simultaneous strain and temperature measurement for advanced 3-D braided composite materials using fibre-optic sensor technology is demonstrated, for the first time. These advanced 3-D braided composites can virtually eliminate the most serious problem of delamination for conventional composites. A tandem in-fibre Bragg-grating (FBG)/extrinsic Fabry–Perot interferometric sensor (EFPI) system with improved accuracy has been used to facilitate simultaneous temperature and strain measurement in this work. The non-symmetric distortion of the optical spectrum of the FBG, due to the combination of the FBG and the EFPI, is observed for the first time. Experimental and theoretical studies indicate that this type of distortion can affect the measurement accuracy seriously and it is mainly caused by the modulation of the periodic output of the EFPI. A simple method has been demonstrated to improve the accuracy for detection of the wavelength-shift of the FBG induced by temperature change. A strain accuracy of ±20μ and a temperature accuracy of ±1°C have been achieved, which can meet the requirements for practical applications of 3-D braided composites.     

Fiber optic Fabry-Perot pressure sensor with low sensitivity to temperature changes for downhole application

Pressure and temperature are two important parameters in reservoir engineering. The fiber optic sensors can be used for permanent downhole monitoring. In this paper, we propose an extrinsic fiber Fabry-Perot interferometer (EFPI) sensor for pressure measurement with low sensitivity variation. The pressure sensitivity of EFPI sensor and of the fiber Bragg grating (FBG) sensors have been measured. The experimental pressure sensitivity for EFPI and FBG sensors are measured to be 2.75 × 10⁻⁸ 1/kPa and 1.52 × 10⁻⁸ 1/kPa, respectively. The temperature cross-sensitivity problem of the EFPI sensor has been solved by a new technique. The temperature sensitivity of EFPI sensor has been decreased to 1.2 × 10⁻⁶/°C, while the temperature sensitivity of non-compensated EFPI sensor has been measured to be 16.4 × 10⁻⁶/°C. The results show that the EFPI sensor has a higher pressure sensitivity and good capability to decrease temperature sensitivity in comparison to FBG sensor.     

基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统的研究

研究制作了基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统, 以多光纤光栅作为波长参考基准、采用可调谐光纤法布里-珀罗(F-P)滤波器作为波长扫描器件。系统中采用三次多项式拟合的方法对滤波器锯齿波的扫描电压与透射波长关系曲线进行非线性拟合, 解决可调谐光纤F-P滤波器的电压—波长非线性关系对系统测量带来的较大误差问题, 实现波长的高精度解调。采用五光纤光栅做波长参考, 单根光纤光栅传感器的解调实验结果表明：待测光纤光栅布拉格波长短期测量分辨率为3.5 pm, 长期测量稳定性为7 pm。采用该系统对光纤非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)应变传感器的测试结果表明, 测量应变灵敏度为2.41 nm/με, 并且应变和波长之间存在良好的线性关系, 线性相关度达到0.99991。     

光纤复合型油气井下压力温度测量系统

针对目前广泛使用的电子式油气井下压力温度测量系统可靠性低、高温环境漂移大的不足,设计了一种基于非本征型F-P干涉仪(EFPI)和光纤布喇格光栅(FBG)的复合型油气井下压力、温度测量系统,详细说明了其工作原理、传感器组成和信号解调方法,初步试验结果表明,该测量系统不仅克服了电子测量方式的不足,而且具有复用性好、测量精度高等优点.     

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.     

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。     

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.     

Acceleration test of substrate-packaged fiber Bragg grating sensor北大核心CSCD

To test whether the fiber Bragg grating (FBG) sensor can endure the steady-state inertial loads caused by the acceleration and the sensing properties during the loads, a FBG strain and temperature sensor with aluminium alloy substrate package was designed, and the acceleration performance on the sensor was tested. The sizes of FBG strain and temperature sensor were designed and its package process was described. The strain and temperature sensing mechanisms of FBG sensor were analyzed, and the spectrum detection and demodulation system based on volume phase grating and linear array photodetector was developed. Finally, the acceleration test equipment was established, and the acceleration performance test of the selected FBG strain and temperature sensor was carried out in accordance with the requirements and methods of GJB150.15A acceleration test. The experimental results show that in the 2 min performance test before and after the acceleration test, the wavelength offset is below to ±50 pm, and the change of light intensity is below to 0.3 V. In acceleration test, the maximum fluctuation of wavelength offset is ±7 pm, and the light intensity is in the range of 1.3 V~4.003 V. It is proved that the designed FBG sensor has the ability to endure the acceleration loads and has the good sensing performance during the acceleration loads. Copyright ©2022 Journal of Applied Optics. All rights reserved.