基于FBG反射谱特征的修补结构裂纹扩展监测

为了提高飞行器壁板裂纹修补结构的安全性,对基于光纤布拉格光栅(FBG)反射谱特征的航空铝合金修补结构疲劳裂纹扩展长度及角度监测方法进行了研究。修补结构在疲劳载荷的作用下,裂纹发生扩展,其尖端附近会产生不均匀应变场,在其作用下FBG传感器反射谱发生变形,通过检测反射谱变形达到监测裂纹扩展的目的。建立了实验样件的模型,使用有限元方法计算得到不同角度下裂纹扩展到不同长度时的应变分布,使用传输矩阵数值计算方法得到相应的FBG反射谱。提取反射谱的主峰偏移、反射谱面积、次峰峰值和三峰峰值等变形特征,建立并训练人工神经网络(ANN),通过ANN建立反射谱变形特征同裂纹扩展情况的关系,实现了对修补结构裂纹扩展的精确监测,监测裂纹长度误差在0.5 mm之内,角度误差在5°之内。解决了修补结构的裂纹扩展精确监测问题,对提高飞行器安全以及节约维护成本有着重要意义。     

基于光谱特征分析的光纤光栅腐蚀传感器研究

针对航空航天领域铝合金结构服役过程腐蚀监测需求,提出了一种基于铝质细管结构的预载荷型光纤光栅腐蚀传感器。给出了铝合金结构腐蚀在役监测机理,得到光纤光栅反射光谱特征与铝质细管厚度变化之间的理论关系模型,构建了酸碱环境下的光纤光栅腐蚀监测试验系统。通过在细管内部配置不受力且仅感受温度变化的光纤光栅传感器,解决了被测目标的温度与应力交叉敏感问题。研究表明,这种铝质细管封装设计不仅可以感受腐蚀对其力学性能的影响,还能够屏蔽外界腐蚀因素对管内光纤感知器件的干扰。随着金属管腐蚀程度加深,其管壁逐渐变薄,光纤光栅反射光谱逐渐向短波长方向偏移,且管壁厚度变化与光栅中心波长偏移量之间呈较好单调关系。这些特性能够为进一步开展基于光纤感知器件的机械结构在役腐蚀监测研究提供有益帮助。     

大模场啁啾光纤光栅的光谱特性

 将一种矩阵算法拓展应用于数值求解多模耦合模微分方程, 并使用该矩阵算法对大模场啁啾光纤光栅的光谱特性进行了理论研究。结果表明, 大模场多模光纤光栅因模式的自耦合和互耦合而使反射谱存在多个反射峰, 这与单模光纤光栅的反射谱不同。由于光栅周期存在啁啾, 大模场光纤光栅的反射峰分裂, 且峰值反射率减小。使用高斯切趾函数可使反射峰分裂在一定程度上得到改善。     

Concentration and refractive index sensor for methanol using short period grating fiber

This paper reports on the spectral (response) characteristics of fiber Bragg grating sensor to various methanol concentrations. A complete experimental analysis on the use of Ge-B co-doped fiber Bragg grating sensor for a concentration and refractive index measurement is presented. The spectral changes in the grating response due to variation of concentration have been investigated in relation to new sensing configurations. The results also highlight the possibilities of using the sensor for medical and biological applications.     

微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(MNFBG)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(FBG)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对MNFBG折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用OptiGrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示MNFBG折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400 nm的MNFBG灵敏度可达到993 nm/RIU,相比于包层蚀刻的FBG灵敏度增加了170倍,说明MNFBG对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感     

基于变刚度结构的光纤布拉格光栅低温环境下的温度増敏方法研究

光纤布拉格光栅采用非电磁信号测试方式，具有显著的抗电磁干扰以及可嵌入被测结构内部等特性，已成为近些年广受关注的光学应变、温度传感与测试新技术。但在极端条件下(如超低温环境)，光纤由于受到其自身材料特性的局限，传感特性不明显甚至限制了其应用。基于结构变刚度的力学増敏方法，本文提出了一种适用于低温区的光纤布拉格光栅温度传感増敏的结构设计方法。研究结果表明：该传感结构可有效感应低温下的温度变化，増敏效果明显；并获得増敏效果随结构材料与几何特性的依赖关系，经过优化可使得光栅区对温度和应变的敏感性大大提高，甚至提高1个数量级。最后，完成了这一増敏结构的设计和制备，实验验证了所提方法的有效性和可靠性。     

Genetic algorithm-support vector regression for high reliability SHM system based on FBG sensor network

Structural Health Monitoring (SHM) based on fiber Bragg grating (FBG) sensor network has attracted considerable attention in recent years. However, FBG sensor network is embedded or glued in the structure simply with series or parallel. In this case, if optic fiber sensors or fiber nodes fail, the fiber sensors cannot be sensed behind the failure point. Therefore, for improving the survivability of the FBG-based sensor system in the SHM, it is necessary to build high reliability FBG sensor network for the SHM engineering application. In this study, a model reconstruction soft computing recognition algorithm based on genetic algorithm-support vector regression (GA-SVR) is proposed to achieve the reliability of the FBG-based sensor system. Furthermore, an 8-point FBG sensor system is experimented in an aircraft wing box. The external loading damage position prediction is an important subject for SHM system; as an example, different failure modes are selected to demonstrate the SHM system's survivability of the FBG-based sensor network. Simultaneously, the results are compared with the non-reconstruct model based on GA-SVR in each failure mode. Results show that the proposed model reconstruction algorithm based on GA-SVR can still keep the predicting precision when partial sensors failure in the SHM system; thus a highly reliable sensor network for the SHM system is facilitated without introducing extra component and noise.     

基于结构化光纤Bragg光栅的折射率梯度传感器研究

研究结构化光纤Bragg光栅(FBG)在折射率(RI)呈线性分布的液相介质环境下的响应特性。数值仿真结果表明,结构化FBG的反射谱特性强烈依赖于液相介质折射率(RI)的线性分布函数的某些特征参数,比如液相介质的RI沿FBG轴向的分布梯度、RI在FBG两端的差值等。基于理论仿真结果,建立了结构化FBG在低RI区(1.330～1.360)对液相介质的RI梯度进行测量的线性近似理论模型。通过相关实验研究,证明了理论仿真和分析的合理性及基于结构化FBG的RI梯度传感器在现实应用中的可行性。     

应用光纤布喇格光栅传感器监测地下管道腐蚀的新方法研究

地下管线工作环境恶劣,腐蚀是引起它破坏和失效的主要原因之一.本文提出了一种应用光纤光栅传感器监测管道腐蚀的新方法.输送石油和天然气等一些物质的管道内部存在的压力会使管道发生膨胀,进而导致管道外壁产生环向变形.假定管道为无限长,管道内部压力导致的管道外壁轴向应变可忽略不计,当管线发生腐蚀时,会导致管壁变薄,管道内部的压力又可以看作基本不变,这样就会增大管道外壁的环向应变.当管道内部压力保持恒定时,管道壁厚与应变之间存在一定的反比例关系,本文方法就是将封装好的光纤光栅传感器粘贴在管道外壁,通过监测外壁环向变形来判断管道腐蚀的情况和程度.通过理论值、模拟值和试验值三者的对比分析来说明了这种新方法是可行的,并且值得被广泛应用,为埋地管道的防灾减灾提供了一种对策.     

相位修正的耦合模理论用于计算光纤Bragg光栅法布里-珀罗腔透射谱

基于光纤Bragg光栅(FBG)反射复振幅相移对FBG法布里-珀罗腔透射谱的影响，分析了传统耦合模理论计算均匀FBG反射复振幅相移产生误差的原因.引入折射率分布初始相位参数描述FBG折射率分布纵向的微小偏移，用真实的反透射系数代替简明形式的反透射系数，对传统耦合模理论进行了修正，增加了与折射率分布初始相位参数有关而与波长无关的相位因子.在此基础上进一步对计算非均匀FBG的传输矩阵法的相位进行了修正.修正后的快速计算结果用于FBG法布里-珀罗腔透射谱的计算，可反映折射率分布初始相位参数对透射峰波长位置的影响，与Rouard 算法及实验值均有较好的一致性. 关键词： 光纤Bragg 光栅 法布里-珀罗腔 耦合模理论