基于信号自相关原理的光纤光栅数字解调方法

为满足工程测试领域对光纤光栅波长漂移高分辨探测技术的需要,提出一种基于信号自相关原理的新型光纤光栅数字解调技术.该技术在可调谐滤波法的基础上,通过对信号序列采用自相关分析以实现对波长漂移的测量以及对传感光栅反射谱形状的识别,能够有效克服噪音对信号的影响.仿真结果表明：光纤光栅自相关数字解调方法可以准确测量光纤光栅波长的漂移,适用于传感光栅具有相同波长的变化范围.     

具有有源闭合腔的光纤光栅传感系统地址查询技术

基于熔融拉锥技术研制的3 dB宽带耦合器的光纤环形镜的工作原理,提出了一种新型的具有有源闭合腔装置的光纤光栅传感系统。在用作闭合共振腔端镜的环形镜中写入十个波分复用光纤光栅传感元,利用共振腔中接入的法布里-珀罗滤波器,通过控制电压对传感光栅的波长扫描,实现对传感地址的查询。用非平衡的迈克耳孙扫描干涉仪将传感光栅的波长漂移信息变为相移信息,实现传感信号的解调。系统传感灵敏度的实验值为1.5835°/10-6ε,与理论值(1.6662°/10-6ε)基本吻合。     

光纤光栅自动化金属粘接性能

用超级电镀技术将光纤光栅应变传感元件自动粘接在金属基体上,力学模型分析表明该方法可以有效提升应变传递效率.为了检测该方法的可行性,从光纤光栅自动化粘接的主要工艺环节出发,以光纤光栅的光谱特性为研究对象,以材料力学试验为手段,对自动化金属粘接后的3个光纤光栅进行了光学特性分析和力学特性试验.结果表明:自动化金属粘接光纤光栅的成活率为100%,光纤光栅粘接后的应变测量灵敏度保持在1.2 pm/με,应变传递效率在0.98以上,线性度达0.99,光纤光栅在加卸中的一致性偏差仅为10~(-6)、漂移仅为0.05,优于传统手工粘接.     

浮空器柔性复合蒙皮形变光纤光栅传感实验研究

针对浮空器囊体形状的实时传感问题,研究了柔性复合蒙皮形变光纤传感方法。分析了柔性复合蒙皮形状传感原理与算法;制备了Vectran纤维(聚芳酯纤维)蒙皮试样,实验研究了柔性蒙皮的曲率变化与光纤光栅曲率传感器中心波长漂移量的关系,分析了坐标系变换的曲线重构算法在浮空器蒙皮材料应用下的精度。得出FBG曲率传感器中心波长的漂移量随蒙皮材料的曲率半径增大而增大,形变曲率半径在1～12m~(-1)范围内时,蒙皮形变传感重构误差小于4mm。研究结果表明:用光纤光栅传感方法可实现浮空器柔性蒙皮形变的传感和重构,在浮空器囊体形变监测中具有应用前景。     

失配型双芯长周期光纤光栅弯曲矢量传感

利用高频CO2激光单侧曝光技术及双芯光纤的非对称性,设计并制作了一种长周期光纤光栅弯曲矢量传感器.成栅机理分析表明,光纤边缘处嵌入的纤芯极大地增强了包层中的残余应力,在CO2激光脉冲曝光时,残余应力释放作用增强,光栅质量更高;同时,双芯光纤的非对称结构以及CO_2激光单侧曝光使得光纤器件对偏振非常敏感,写制的光纤光栅在1 555.4nm谐振波长处的偏振相关损耗高达20.8dB.弯曲传感测试表明,在0~1.235m~(-1)曲率范围内,光纤光栅向+y方向弯曲时,透射谱谐振峰波长向长波方向漂移,灵敏度为2.37nm/m~(-1);光纤光栅向-y方向弯曲时,谐振峰波长向短波方向漂移,灵敏度为1.80nm/m~(-1).该弯曲矢量传感器结构简单,灵敏度高,可广泛应用于道路、桥梁等建筑的安全检测.     

长周期光纤光栅谐振波长的横向负载特性分析

在考虑波导效应、弹光效应等因素后,详细地理论分析了长周期光纤光栅(LPFG)的横向负载传感特性,包括谐振波长漂移及谐振峰分化后的双峰间距与横向负载、光偏振的关系,模拟计算了单模光纤长周期光栅的横向负载传感特性.理论分析和计算结果表明,长周期光纤光栅谐振波长随横向负载的漂移量和方向与光源的偏振方向有关,加载方向偏振光的谐...     

基于光纤光栅的标准具

提出并研制出了一种基于光纤光栅的新型光学标准具.这种新型标准具技术采用大啁啾取样光栅制作,可用于光纤光栅传感解调系统中.通过调节大啁啾取样光栅的啁啾系数和取样函数,使透射谱具有法布里-珀罗标准具的特性.运用传输矩阵法进行了模拟计算并进行了实验验证.由于采用已经比较成熟的标准光纤光栅写入方法,基于光纤光栅的标准具性能可靠,适合规模生产,在光纤光栅传感技术上有重要的应用.     

强度解调型光纤光栅温度传感实验

光纤光栅在工程上应用广泛,但由于存在解调系统复杂、成本高,尤其是需要使用光纤光谱仪等波长解调仪器,使得光纤光栅很难走入本科教学的实验课堂.本文提出了一种基于窄线宽DFB激光器的强度解调方案,极大地简化了光纤光栅传感器的解调系统,完全满足较高分辨率和实时检测的系统要求.合理安排的温度传感实验可以非常直观地展示光纤光栅的线性传感性能,使得工程化的光纤光栅传感技术轻松走进本科教学课堂,具有极高的推广和应用潜力.     

长周期光纤光栅检测混合油的折射率

为了检测柴油煤油混合油的折射率特性,利用耦合模理论分析长周期光纤光栅折射率传感特性,建立长周期光纤光栅中心波长、透射谱峰值损耗与混合油品中柴油含量的关系.结果表明:在混合油中,随着柴油含量的增加,长周期光纤光栅波长发生蓝移,当柴油含量达到使混合油折射率等于包层折射率时,中心波长漂移最大,柴油含量每改变1%,中心波长平均漂移0.622 7nm;柴油含量继续增加,混合油折射率大于包层折射率时,光栅中心波长基本保持不变,但是峰值损耗逐渐增大,带宽减小,之后柴油含量每增加1%,峰值损耗线性增加0.154 6dB.该方法在检测混合燃料各组分含量具有潜在的应用前景.     

温度对光纤布喇格光栅化学传感器性能的影响

阐述了光纤Bragg光栅化学传感的基本原理,推导并利用数值计算得出了腐蚀掉包层后的光纤Bragg光栅的纤芯有效折射率随外界折射率变化的关系.分析了温度对这种传感器造成的误差.研究表明,温度会造成光纤光栅变化和改变溶液折射率的大小,从而对传感器的测量造成影响.设计了一种温度补偿方案.实验分别研究了低浓度溶液和高浓度溶液中传感头两段不同光栅区的Bragg波长随温度的变化.结果表明：在清水中,传感头两段光栅区Bragg波长受到温度变化的影响基本相同,通过测量波长的差值可消除温度的影响;高浓度溶液中,传感头受温度影响造成的总波长漂移量约为未被腐蚀光栅区的波长漂移量的0.6,与理论的结果基本一致.传感头受温度影响造成的总波长漂移量可由未被腐蚀光栅区波长漂移量的大小得出,进而可消除温度对溶液传感的影响.     

基于焦耳热的光纤布喇格光栅电压传感器研究

设计了一种基于焦耳热的新型光纤布喇格光栅电压传感器以用于小电压的精确监测.实验中通过真空蒸镀法在光栅周围镀上一层金属镍,并将光栅密闭封装在充满气凝胶的铜管中.电压传感通过所镀金属镍层在通电过程中产生的焦耳热引起栅区温度升高,导致光纤光栅反射谱中心波长漂移,从而实现电压与光纤光栅中心波长漂移量的变换.实验表明,封装后的直流电压灵敏度达到520pm/V2,并可用于较低频率的交流传感,且系统结构简单、精度高、易于实现.     

含耐高温涂覆层长周期光纤光栅的温度特性研究

利用逐点写入法在耐高温光纤中用红外飞秒激光直接写入了长周期光纤光栅,研究了光栅的高温温度特性,并做了理论分析.通过对含耐高温涂覆层的长周期光纤光栅进行20 ℃~300 ℃的温度传感实验,结果表明：在高温段光栅的谐振波长漂移量与温度之间仍能保持大的灵敏度（0.060 5 nm/℃）和好的线性度,且光纤耐高温涂覆层不受破坏,光纤耐高温涂覆在高温下不会出现碳化现象,光栅传感性能良好.实验证明该方法制作的光栅适合于长期在高温环境下使用,应用价值巨大.     

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.     

光纤布喇格光栅沉降传感器

根据光纤布喇格光栅的光学传感原理,提出了一种基于悬臂梁及金属弹性膜片的光纤布喇格光栅沉降传感器结构,对其传感特性进行了实验研究.实验通过产生水的液位差来模拟地基沉降,分析结果显示,光纤布喇格光栅中心反射波长漂移对液位差呈现良好的线性关系,线性度高于0.999,灵敏度可达-2.11 pm/mm.通过改变悬臂梁厚度和有效长度,可以对传感器测量范围和灵敏度进行调整,以满足各种应用场合.综合实验结果,该传感器在桥梁、铁路地基等沉降监测方面具有重要意义.     

镀膜长周期光纤光栅的折射率传感特性

基于严格的光栅三包层模型及其色散方程,对镀膜长周期光纤光栅的折射率传感特性进行了详细的研究.研究发现,镀膜长周期光纤光栅的谐振波长随环境折射率的变化而变化,而且这种变化有一个跳跃,跳跃后的变化与跳跃前相同:如跳跃前向短波方向漂移,则跳跃后也向短波方向漂移.镀膜后,长周期光纤光栅的折射率探测范围得到拓宽,而且探测的灵敏度...     

聚酰亚胺(PI)薄膜用于光纤布拉格光栅湿度传感器的特性分析

研究了湿敏聚合物--聚酰亚胺(PI)薄膜用于光纤布拉格光栅湿度传感器的原理及应用,并对其传感特性进行了分析与测量.实验表明:镀有聚酰亚胺(PI)薄膜的光纤布拉格光栅的反射峰位置漂移量与湿度呈线性关系,容易标定,实现了对湿度的高精度测量.用这种材料制作的湿度传感器比其他类型湿度传感器性能优越.     

长周期光纤光栅的折射率敏感特性

利用光波导的耦合模理论分析了长周期光纤光栅(LPFG)的折射率传感特性,给出了LPFG 的谐振波长相对于环境折射率变化时的漂移量解析表达式.对 LPFG 的折射率传感特性进行了数值模拟.结果表明:在光栅周期不变的情况下,当包层折射率小于且接近外界环境折射率时,波长的漂移量增大,且对应的模次越高、包层半径越小、包层折射率越小,波长漂移量越大,即 LPFG 对应于外界折射率传感灵敏度得到显著提高;当外界环境折射率大于包层折射率时,光栅的谐振波长将近似不变.     

光强检测型光纤光栅温变不敏感动态压力传感研究

报道了基于光纤光栅反射谱带宽调制和光强差分检测技术实现单一光纤光栅温变不敏感动态压力传感的新方法。设计了一种结构新颖的双孔梁压力传感装置,依据双孔梁有限元受力分析将光纤光栅准确定位于线性梯度应变区,压力作用下光纤光栅反射谱对称展宽,反射光强线性正比于压力变化。基于光波导理论和材料力学原理推导了线性梯度应变场作用下光栅反射谱带宽、反射光强与压力之间的响应关系。利用光强差分检测技术取代传统波长解调方法,简化解调过程的同时传感系统免受温变影响。实验表明,在-10~80℃的温度变化范围内,系统测量误差小于总量程(120kPa)的1.8%,动态响应速度约80Hz,重复测量系统输出稳定,具有较好的应用价值。     

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.     

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.