光纤腐蚀传感器研究进展

光纤腐蚀传感器(FOCS)是近年来腐蚀监测传感器的研究热点,以其轻巧简便、抗电磁干扰和可分布式测量等优点使其具有诱人的应用前景。对金属腐蚀机理作了介绍,给出了几种常见的光纤腐蚀传感器的检测方法,阐述近年来光纤腐蚀传感器的最新进展,对未来光纤腐蚀传感器的发展趋势作进一步展望。     

一种监测钢筋腐蚀的光纤光栅传感器的研究

钢筋腐蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性劣化的最重要因素之一。钢筋腐蚀将导致钢筋体积大大增加,混凝土保护层开裂、剥落,结构承载力下降,甚至倒塌。基于光纤布拉格光栅应变传感器的原理,根据钢筋腐蚀体积膨胀,提出了一种新的钢筋腐蚀光纤光栅传感器及温度补偿方法。传感器构造是在两根紧靠的钢筋中心附近粘贴光纤光栅,由于钢筋腐蚀体积膨胀,钢筋直径增加将转变成布拉格光纤光栅的应变,从而实现对钢筋腐蚀程度及速率的监测。传感器的监测原理是设置一个钢筋腐蚀光纤光栅传感器来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变,同时单独设置一个不锈钢光纤光栅传感器来测量温度引起的光栅应变。这两个光纤光栅传感器的应变监测,可分离出钢筋由于腐蚀所引起的体积变化。在混凝土结构中埋入封装的传感器,通过监测光纤光栅波长的漂移可以直接测量钢筋腐蚀程度,而且不受腐蚀因素的影响,可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测。最后通过实验标定了钢筋腐蚀率与光栅波长位移的关系。     

长周期光纤光栅扭曲传感器

发现用高频CO2激光写入的长周期光纤光栅的谐振波长会随光栅扭曲而线性变化。当顺时针扭曲时，谐振波长向长波方向漂移；逆时针扭曲时，谐振波长向短波方向漂移。该新型扭曲传感器不但能实现对扭曲率的直接测量，而且能判断扭曲方向，因此具有广泛的应用前景。     

光纤光栅电流传感器

基于悬臂梁技术 ,分析并验证了光纤光栅用于电流传感的可能性。采用等腰三角形悬臂梁确保光栅在传感过程中不出现啁啾现象 ,从而减小读数误差。系统传感灵敏度为 4 0 0× 10 - 2 nm A ,与预期值 4 15× 10 - 2 nm A基本吻合。     

光纤光栅传感器的应用

在光纤传感领域，光纤光栅传感技术是十多年来发展最为迅速的技术之一，传感系统本身和应用领域均有了很大发展．文章介绍了光纤光栅的结构、性能以及传感的原理，回顾了光纤光栅传感器在地球动力学、航天器及船舶航运、民用工程结构、电力工业、医学、和化学传感中的应用．     

对弯曲不敏感的长周期光纤光栅传感器

发现了用高频CO₂激光写入的长周期光纤光栅的谐振波长对弯曲灵敏度在圆周的不同方向上呈现周期性,且在两个特定的对称方向上对弯曲不敏感(即弯曲曲率达到1.1m^-1,谐振波长仅漂移-0.018nm).据此提出新型对弯曲不敏感的传感器和可调灵敏度弯曲传感器的设计方案,可望从根本上解决长周期光纤光栅在测量中存在的温度、应变或折射率与弯曲之间的交叉敏感问题.     

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。     

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。     

用布拉格光纤光栅制作啁啾光纤光栅

介绍了一种用布拉格光纤光栅制作啁啾光纤光栅的方法。采用氢氟酸腐蚀布拉格光纤光栅, 使光栅的横截面沿光栅轴向逐渐变小, 然后对光栅施加１．５０ Ｎ的拉力, 在光栅轴向建立应变梯度, 制作出长１５ ｍ ｍ 、峰值反射率达９２％ 、反射半高宽为５ ｎｍ 的啁啾光纤光栅。     

分时复用光纤光栅振动传感器阵列

结合基于3×3耦合器的光纤Mach-Zehnder干涉仪和可调谐光纤Fabry-Perot滤波器（Fiber-Fabry-Perot,FFP）,提出了一种分时复用光纤光栅振动传感器的技术.用FFP对串联在一根光纤上的光纤光栅的波长进行轮流扫描,让光栅的反射光按波长顺序依次通过FFP.而对于每一光纤光栅上外加的振动信号,用光纤Mach-Zehnder干涉仪进行测量.实际测量结果显示,FFP结合Mach-Zehnder能够对每一只光栅上的振动信号进行分时测量.     

光纤布喇格光栅应变传感器结构优化研究

提出了一种改进的光纤光栅应变传感器结构,用有限元分析软件对其进行建模和静力仿真,得到其应力分布和光栅区域的应变情况.在整体宽度与厚度相等的情况下,此结构的灵敏度约为传统"工"字型结构的600倍.进一步分析了其关键区域的6个结构参量对应变灵敏度及量程的影响.筛选、设计并加工出不同尺寸的两种应变片,分别用UV胶与玻璃焊料对光栅进行封装,得到灵敏度分别为:249pm/N、330pm/N和1.1pm/N.比较分析表明,本文提供的分析方法与数据,可为不同工程应用场合的最优结构设计提供依据.     

S+C+L波段色散斜率补偿光子准晶体光纤

提出了一种改进的光纤光栅应变传感器结构,用有限元分析软件对其进行建模和静力仿真,得到其应力分布和光栅区域的应变情况.在整体宽度与厚度相等的情况下,此结构的灵敏度约为传统"工"字型结构的600倍.进一步分析了其关键区域的6个结构参量对应变灵敏度及量程的影响.筛选、设计并加工出不同尺寸的两种应变片,分别用UV胶与玻璃焊料对光栅进行封装,得到灵敏度分别为:249 pm/N、330 pm/N和1.1 pm/N.比较分析表明,本文提供的分析方法与数据,可为不同工程应用场合的最优结构设计提供依据.     

Fiber Grating Based Optical Recirculating Filter with an Optimized Response

A novel optical recirculating filter for RF applications is described, which exploits a specially designed fiber grating with a ramped spectral profile to enable optimization of the filter response. The design overcomes the limitations imposed by loss in conventional fiber recirculating filters. Additionally, a tunable free spectral range is demonstrated by using the device in a grating array. Both theoretical and experimental results are presented and discussed.     

光纤光栅压力传感器中应力迟滞的消除方法

提出了一种利用双光纤光栅消除光纤光栅压力传感器中应力迟滞的方法.将两个相同波长的光纤布拉格光栅分别对称粘贴于悬臂梁的上下表面并串接在一起,外压力作用下可实现调谐双光栅布拉格波长差.研究结果表明,该方法可消除弹性元件材料所引起光纤光栅压力传感器的应力迟滞,改善传感器的线性响应特性和重复性,在0~40 MPa的压力范围内,双峰波长差的调谐范围为5.12 nm,是单峰波长调谐范围的2倍,压力调谐双峰波长差的灵敏度可达0.128 nm/MPa,是压力调谐单峰波长灵敏度的2倍.     

基于OFDR/WDM的光纤光栅传感网络研究

应用光频域反射复用技术与波分复用技术,解决了光纤光栅传感网络的寻址问题;使用可调谐滤波器,实现了复用信号的解调;具体地分析了光频域反射复用技术的基本原理,从理论上推算了系统的空间分辨率和测量范围,并进行了3×3光栅阵列传感网络的实验研究. 该方案充分利用了光信号的频率和波长信息,在光源功率足够大的前提下,显示出新设计的传感网络具有寻址和解调几百个光栅信号的潜在能力,在大型建筑设施分布式二维或三维应力监测中有很好的应用前景.     

非均匀光纤光栅响应特性的研究

光纤栅在未来光纤通信与光纤传感系统中将关键性作用。本文进行了不同线型光栅迹与喃啾 等波导结构参数下的非均匀光纤光栅响应特性的数值计算,并通过对光栅响应不对称性的研究讨论,提出了光栅响应对称性的两个一般条件。     

优化光纤光栅传感器匹配光栅解调方法的研究

利用悬臂梁调谐和两个并联二次反射匹配解调光栅的方法实现了光纤布喇格光栅(FBG)传感器的高精度大范围应变传感测量.通过并联方式,选择合适的匹配光栅波长,增大了可检测的应变范围,同时解决了双值问题.应变传感信号经两路解调光栅解调,并由数据采集卡采集后,由计算机进行两路并联信号的综合处理后获取更准确的结果,使得系统性能得到提升和优化.试验结果与理论分析一致.     

Simplified Formula of Bending Loss for Optical Fiber Sensors

A simple fiber-optic bending loss formula is achieved for optical fiber sensors. This simple formula considers various bending radii, number of turns, extra bending angle, and wavelength and has good agreement with theoretical and experimental data. We also propose a simplified formula for sensitivity of the fiber-optic bending loss in this article. The defined sensitivity formula has the benefit of showing parameters for fiber-optic bending sensor systems.