用单光纤光栅实现扭转与温度的双参量传感测量

采用一种新颖的扭梁设计结构 ,利用单光纤光栅成功地实现了扭转 (扭转角或扭矩 )与温度的双参量同时测量。该方法能够有效地解决扭转角与温度的交叉敏感问题 ,且光纤光栅波长的变化对扭转角、扭矩及扭应力 (力臂一定时 )均呈线性关系。在 - 40°～ +32°范围内 ,扭转角、扭矩和温度的传感灵敏度分别达到 0 .19nm (°)、3.2 9nm Nm和 0 .0 3nm ℃ ,波长线性调谐范围可达 14.2 0nm。     

缠绕式光纤扭角传感的实验研究

利用多模光纤的微弯特性,提出并实现了一种新颖的缠绕式光纤扭角传感装置,其扭角测量范围大于90°.给出了该装置的基本实验原理.研究表明多模光纤的微弯损耗对扭角变化响应非常灵敏,其灵敏度可达1dB/1°.并且实验与理论符合得很好.     

光纤光栅三维应力传感器的设计与实现

以光纤光栅为敏感元件,设计并实现了一种基于圆柱结构的三维应力传感器.该传感器由三个光纤布喇格光栅等角度粘贴在圆柱体探头而实现.对这种三维传感器应用材料力学理论进行了传感原理的推导与分析,并进行了任意方向上应力大小的传感测量实验.实验表明:这种传感器可以准确测量三维空间任意方向的应力大小及方向,测量线性度高;在0-5N的测量范围内,误差不超过±1.58%,分辨率为9.2×10－3N.     

基于干涉解调技术的光纤光栅传感系统

介绍一种基于干涉解调技术的光纤光栅传感系统 ,用非平衡波长扫描迈克耳孙干涉仪将来自传感光栅的包含应变信息的波长信号变为相位信号 ,借助相位计显示的相位变化确定待测应变的大小。该传感系统具备分辨5 .5nε的能力 ,其灵敏度的实验值为 1.80° με,与预期值 1.83° με基本吻合     

光纤光栅式飞机驾驶杆杆力传感器研究

提出了一种基于光纤布喇格光栅的飞机驾驶杆力传感器.理论上讨论了飞机驾驶杆弹性元件力学特性和光纤布喇格光栅的应变传感特性,分析了飞机驾驶杆力传感器的灵敏特性.实验上通过测量不同外加载荷力作用下光纤光栅中心波长变化,研究了光纤光栅式飞机驾驶杆力传感器的传感响应特性.实验结果表明:光纤光栅中心波长漂移量和外加载荷力成线性关系,与理论分析吻合;传感器的横向与纵向灵敏度可以分别达到2.07pm.N-1和1.80pm.N-1,与数值模拟结果基本一致.     

岩层变形检测的光纤光栅多点传感理论与工程应用

为了监测松散地层沉降变形,提出了一种用于钻孔中植入式光纤Bragg光栅传感器(FBG)的结构和传感网络系统.基于室内实验结果,给出了用于岩层变形检测的传感光栅波长带宽为6 nm,分析了多点传感信号分辨因子,山光源带宽决定的测试系统最大实际复用能力为6个传感器.设计并实现了一个由18个光纤光栅组成的具有特色的光纤Bragg光栅波分复用/空分复用混合阵列.工程实践表明,光纤光栅传感系统采用双同路布置.可提高系统下放后光纤光栅传感器的成活率.     

FBG应变传感器应力疲劳极限传感寿命评估方法

光纤光栅应变传感器在应力疲劳作用下不可避免地出现性能衰退,为了评估其极限传感寿命,从光纤光栅传感原理出发,理论推导了应力疲劳作用引起的满度相对误差表达式,以工业仪表精确度等级作为传感器的极限状态阈值,提出了基于等强度梁的极限传感寿命测试方法.利用该方法评估了高桩码头结构健康监测应用环境中光纤光栅应变传感器的极限传感寿命,以满度相对误差变化4%作为极限失效阈值,对4支传感器进行了1.32亿应力疲劳实验.当疲劳至1.32亿次时,2支传感器达到极限传感寿命,1支传感器接近极限传感寿命,即极限传感寿命约为1.32亿次.实验结果表明,提出的方法能有效地测试不同结构健康监测需求下,光纤光栅应变传感器的应力疲劳极限传感寿命.     

无源式光纤光栅空、时分复合复用传感系统

受 1× 3光开关控制 ,脉冲宽带光波被导入 3× 5光栅传感器阵列中待查询的任一光栅串 ,根据传感元间光纤延时程度的不同 ,利用电子程控开关 ,对来自不同光栅信号的选择通导 ,借助非平衡迈克耳孙扫描干涉仪对传感信息进行解调 ,成功地实现了空、时分复合复用传感     

高灵敏度的光纤光栅压强传感器

基于光纤布拉格光栅传感模型 ,提出了一种等强度梁与波纹管相结合的高灵敏度的光纤布拉格光栅压强传感器 ,推导了光纤布拉格光栅反射波中心波长相对偏移量与压强之间的解析关系式 ,从理论和实验上给出了压强灵敏度系数。该传感器的理论和实验压强灵敏度系数分别是 1.4 76× 10 -2 MPa-1、1.35× 10 -2 MPa-1,是裸光纤光栅的 74 5 5倍和 6 80 8倍 ,理论值与实验值吻合得很好。同时指出通过调节等强度梁和波纹管的参量 ,可以将该传感器的压强灵敏度系数做得很高 ,直至破坏了光纤布拉格光栅。     

利用调谐滤波技术的光纤光栅复用传感器

采用光纤光栅悬臂梁线性调谐技术 ,提出了利用调谐滤波技术对光纤光栅复用传感信号进行检测的方案 ,在分析其基本工作原理的基础上 ,实验研究了其波分复用传感特性 ,传感测量的结果与光谱分析仪直接测量的结果基本一致。传感器的波长分辨率主要取决于系统的最小可探测光功率 ,由于采用了高灵敏度的光电测量系统 ,传感测量的波长分辨率可达 0 .0 0 5nm ,应变分辨率可达 5.7× 10 - 6 。     

基于马赫-曾德干涉的全光纤双参量传感器

提出一种基于S形-错位结构的全光纤马赫-曾德干涉仪（MZI）双参量传感器。该传感结构是采用单模光纤在光纤熔接机中通过简单的放电和熔接等步骤制备而成。顺时针扭转时, 传感器的传输光谱向短波长方向偏移; 逆时针扭转, 向长波长方向偏移。对传感器的实验研究结果表明,该传感器在光纤横截面上顺时针和逆时针两个旋转方向上的扭曲传感灵敏度分别为?223 pm/(rad·cm?1), 140 pm/(rad·cm?1),且可实现扭转方向的判别,在一定应变范围内的应变灵敏度为0.145×106 dB/ε(这里ε为应变),且温度交叉灵敏度极小,可忽略不计。因此,这种基于单模光纤的纤芯-包层MZI双参量传感器具有传感灵敏度高,体积小巧,工艺简单,成本低廉且可判别扭转方向的优点,有望成为众多双参量测量操作中良好的候选仪器之一。     

(n,n)-(2n, 0)碳纳米管异质结的扭转力学特性

相近直径的锯齿型和扶手椅型碳纳米管可以共轴组合形成5-7碳环交替出现的柱形对称异质结. 本文利用分子动力学方法研究了直径相近且等长锯齿型和扶手椅型碳纳米管形成的(n, n)-(2n, 0)结在扭转过程中的扭矩和轴向应力随扭转角度的变化规律以及应力传递过程. 研究发现, (n, n)-(2n, 0)结扭转应变在达弹性限度内不会产生轴向应力, 该效应对基于碳纳米管扭转特性的纳米振荡器件的设计具有重要意义.     

同时测量扭转角度和扭转方向的侧漏光子晶体光纤扭转传感器

基于所研制的侧漏型光子晶体光纤,提出并构建了出一种同时检测扭转角度 和扭转方向的高灵敏度Sagnac干涉仪型光纤扭转传感器.顺时针扭转时, 传感器传输谱向短波长方向偏移;逆时针扭转,向长波长方向偏移. 对传感器扭转特性的实验研究结果表明,构成Sagnac干涉仪的侧漏型光子晶体光纤的长度, 对扭转敏感系数和扭转角度测量范围起着决定性作用.当光纤长度较短时, 扭转传感器具有较大的扭转灵敏度,但扭转角度测量范围较小;光纤长度增加时,扭转灵敏度减小, 扭转角度测量范围增大.当构成Sagnac干涉仪的侧漏型光子晶体光纤长度为14.85 cm时, 传感器的扭转敏感系数可达到0.9354 nm/(°),扭转角度测量范围为-90°—90°; 光纤长度为32 cm时,最大扭转敏感系数降为0.2132 nm/(°), 扭转角度测量范围扩展至-180°—180°. 采用二维测量矩阵法可以有效排除温度对扭转角度的测量的影响. 关键词： 光纤传感器 侧漏型光子晶体光纤 扭转传感器 Sagnac干涉仪     

扭转形变对石墨烯吸附O原子电学和光学性质影响的电子理论研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了扭转形变对石墨烯吸附O体系结构稳定性、电子结构和光学性质,包括吸附能、带隙、吸收系数及反射率的影响.研究发现,吸附O原子后,距O原子最近的C原子被拔起,导致石墨烯平面发生扭曲.吸附能计算表明,扭转形变使石墨烯吸附O原子体系结构稳定性下降,而扭转程度对结构稳定性影响微弱.能带结构分析发现,O原子的吸附使石墨烯由金属变成半导体,扭转形变发生时,可实现其从半导体到金属、再到半导体特性的转变.扭转角为12°的吸附O原子体系为间接带隙,而其他出现带隙的体系均为直接带隙.与本征石墨烯受扭体系相比,吸附O原子体系的电子结构对扭转形变的敏感度降低,其中扭转角在10°—16°范围内变化时,带隙始终稳定在0.11 eV附近,即在此扭转角范围内始终对应窄带隙半导体.在光学性能中,受扭转形变的吸附体系吸收系数和反射率峰值较未受扭转形变石墨烯吸附O原子体系均减弱,且随着扭转程度的加剧,均出现红移到蓝移的转变.     

扭转角测量系统中焦距误差分析

针对莫尔条纹测量扭转变形方案,分析了双光栅在光学系统存在焦距误差时对扭转角测量精度的影响。通过在传统的莫尔条纹测量扭转角理论公式的基础上引入焦距对于光栅像的缩放效应,推导出含有焦距因子的扭转角测量模型。由模型可知,随着光学系统焦距差异的增大,对应的扭转角也会随之发生较大变化。特别当光栅夹角在小角度范围（1°～3°）内变化时尤为明显,最终影响到扭转变形的测量精度。在设计的实验中,利用2个已知焦距的光学系统,通过采集莫尔条纹图像进行扭转角精度分析,验证了该文提出的理论。     

Fiber torsion sensor demodulated by a high-birefringence fiber Bragg grating

A new high-birefringence (Hi-Bi) fiber torsion sensor demodulated by a Hi-Bi fiber Bragg grating (FBG) is proposed in this study. The twisted Hi-Bi fiber sensor characteristics are analyzed using the Jones matrix. The intensity ratio from two reflected Bragg wavelengths is associated with the twist angle of the measured Hi-Bi fiber. It is found that the twist angle resolution is estimated at around 0.3° under ±0.1 dB readout from an optical spectrum analyzer if the polarization state of the light source is stable. The advantages of this new torsion sensor are: (1) insensitivity to intensity variations from the light source, (2) insensitivity to the torsion gauge length, and (3) absolute measurement in the twist angle. However, the polarization state of light in the proposed method needs to be controlled, and any birefringence change in the twisted Hi-Bi fiber needs to be prevented.     

周期性扇形孔结构对斜槽型纵扭复合模态超声振动系统性能的影响*

为了解决基于斜槽结构的模式转换型纵扭复合模态超声振动系统存在的扭转分量较小、纵、扭转化效率较低的问题,论文对基于周期性扇形孔和斜槽结构的模式转换型纵扭复合模态超声振动系统进行了研究,主要仿真分析了扇形孔结构参数对基于斜槽结构的模式转换型纵扭复合模态超声振动系统谐振频率、扭转振幅、旋转角度和剪切应力的影响规律,并找到使系统获得最佳纵扭转换效率的扇形孔结构参数,且求解出扇形孔结构的引入对系统性能的改善幅度。     

Temperature independent torsion sensor using a high-birefringent Sagnac loop interferometer

A high-birefringent (Hi-Bi) Sagnac loop interferometer for torsion measurement is demonstrated. The sensing head is formed by a section of standard single mode fiber spliced between the output ports of a Hi-Bi coupler at 3 dB. The sensing configuration is characterized in torsion, temperature and strain. The results obtained indicate the viability of a torsion sensor independent of the temperature and strain cross-sensitivity effects. Additionally, in the proposed configuration all measurements are performed without the need of a polarization controller, a device most often required in standard Sagnac loops applied for sensing.