金属基底光纤光栅应变传感器的传感特性研究

为了满足桥梁和大坝等民用建筑和航空航天飞行器等结构的健康监测与管理需要,设计并制作了两种分别用钛合金和不锈钢材料封装的光纤布拉格光栅应变传感器,并利用悬臂梁校准装置对两种传感器的应变特性进行测试。试验结果表明,钛合金封装的线性度及应变灵敏系数优于不锈钢材料封装的传感器。因此,在对结构的应变监测时,使用钛合金封装的传感器更能真实反映结构的应变变化,从而达到健康监测的目的。     

布拉格光纤光栅传感器在非均匀应变场中的响应分析

在非均匀应变场的作用下,布拉格光纤光栅的主要参数有效折射率和光栅周期都会发生非均匀的变化,导致光纤光栅的反射光光谱结构发生变化。在光波导耦合模理论的基础上,建立了布拉格光纤光栅在非均匀应变场下反射光谱的分析数学模型,利用龙格 库塔法对其进行了数值求解。给出了几种典型应变场下的布拉格光纤光栅的反射光谱,并分析了它们的特点。     

光纤光栅应变传感的综合性实验设计

利用光纤布拉格光栅反射波长对外界应变敏感的特性,测量等强度悬臂梁产生的应变,并通过对实验得到的数据进行分析,最终得到光纤光栅反射波长漂移量与应变的关系.     

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.     

基于等应变梁的光纤光栅静电电压传感器

为了实现静电电压表的精确测量,提出了一种基于等应变梁和光纤布拉格光栅(FBG)的静电电压传感器。在一定温度范围内,由双FBG的结构方案实现了传感器的温度自补偿,通过对等应变梁的仿真分析和传感器系统的电场仿真,优化设计和制备了传感器结构系统。利用一对平板电极产生匀强电场,在静电力作用下等应变梁上的导体半球受力致使等应变梁发生变形,使得两个FBG反射光谱的中心波长产生偏移,通过FBG的波长差实现了电压的测量。实验结果表明:该传感器可实现5~24 k V直流(DC)高压和交流(AC)高压有效值的测量,5~12 k V的计算精度为2.1%,12~24 k V的计算精度为0.89%,传感曲线的拟合度为0.99985,基本满足高电压测量系统的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。     

光纤布拉格光栅的应变传感实验的研究

针对光纤布拉格光栅的应变特性进行了实验研究,利用计算机采集和处理数据.实验结果表明,Bragg波长随纵向应变的变化呈现出良好的线性,与理论分析结果一致;光栅的涂敷材料不会改变它的线性,但会引起光栅的应变灵敏度变化.     

光纤布拉格光栅传感器应变传递双向耦合分析

粘贴于受弯基体表面的光纤布拉格光栅传感器测量应变与基体真实应变之间存在误差,因此研究光纤布拉格光栅传感器的变形机理、分析测量应变与真实应变之间的关系是目前的研究热点.首先研究光纤布拉格光栅传感器与基体之间的相互作用机理,然后,利用有限元解、实验值和理论解进行对比验证,并分析产生误差的原因.最后,通过参数分析研究弹性模量、厚度、粘结长度等参数对光纤布拉格光栅传感器测量效果的影响.结果表明有限元解、实验值和理论解具有相同的变化趋势,有限元解与理论解的误差在2%以内,测量值与理论解的误差在7%以内.平均应变传递率随着基体弹性模量的增大、粘结长度的增长而逐渐增大,随粘结层弹性模量的减小、粘结层厚度的增大而逐渐减小.该理论对应用于受弯基体应变测量的光纤布拉格光栅传感器的设计具有一定的指导意义.     

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...     

基于光纤布拉格光栅的温度不敏感的倾斜传感器

提出了一种新颖的光纤布拉格光栅(FBG)倾斜传感器设计,采用4根反射波长不同的FBG,该结构更简单和稳定,可用来测量平面内两维方向的倾斜角度,具有高灵敏性和测量精度,且无需附加的温度补偿装置即可消除环境温度的影响。初步的实验结果证实了该设计的可行性,表明此倾斜传感器的角度准确度和精度非常好,可以达到约0.3°的精度。需要强调的是,此倾斜传感器的性能还可进一步提高,通过增加悬垂物重量,或减小每对光纤之间的夹角来提高准确度和精度。     

基于光纤布拉格光栅传感器的光纤光栅智能夹层试验研究

传感元件与复合材料的一体化是智能结构研究的最终目标之一。设计一种具有自诊断功能的标准化、模块化光纤智能夹层系统,正是实现这种一体化最有潜力的技术途径。采用聚酰亚胺薄膜制作了基于光纤布拉格光栅（FBG）传感器的光纤光栅智能夹层,对智能夹层中光纤布拉格光栅传感器的应变、温度特性进行了标定试验,并建立了基于光纤布拉格光栅传感器光纤光栅智能夹层的应变、温度测量模型。试验表明,智能夹层内布拉格光栅波长偏移与应变、温度之间具有良好的线性关系。不过在温度测量时,必须考虑被埋人结构的热膨胀效应。利用光纤光栅智能夹层内光纤布拉格光栅传感器网络和先进信息处理技术,可以建立结构损伤主动、在线和实时监测系统。     

Fiber Bragg grating strain sensor based on fiber laser

A study on fiber Bragg grating (FBG) strain sensor, based on erbium-doped fiber (EDF) laser, is presented. A strain-sensing element, FBG, also acts as the lasing wavelength selecting component. When strain is applied on the FBG, the laser cavity loss changes, leading to a modification of the laser transient. Strain measurements are obtained in the time domain by simply measuring the EDF laser build-up time. Relative variation in the build-up time of up to 190%, for a strain range from 0 με to 2350 με, is achieved with a resolution corresponding to a strain of better than 2.35 με. This study demonstrates a novel fiber sensor concept and the technical feasibility to develop fiber strain measurement.     

基于Bragg光纤光栅传感器的监测系统设计

设计了基于Bragg光纤光栅传感技术的监测系统,当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其他物理量发生变化时,光栅的周期或纤芯折射率将发生变化,从而使反射光的波长发生变化,通过测量反射光中心波长的变化,就可以获得待测物理量的变化情况.该系统利用薄膜滤波器完成对外界的分布式测量,采用光强度检测,能够实现无缝监测.     

基于拉锥光纤布拉格光栅的法布里-珀罗应变传感器的仿真研究

为解决干涉型光纤应变传感器自由光谱范围较小或干涉条纹精细度较低等问题,提出了一种基于单拉锥光纤布拉格光栅的法布里-珀罗腔的应变传感结构及其改进方案。利用啁啾光纤布拉格光栅不同位置反射不同波长的特性,形成腔长随波长连续变化的法布里-珀罗腔,得到了无穷大的自由光谱范围且谐振谷精细度高。数值计算结果表明,应变传感灵敏度与拉锥光纤的腰区直径和栅区长度正相关。在0～300 με范围内,当腰区直径为光纤直径的3/25,栅区长度为30 mm时,应变传感灵敏度为7.05 pm/με。该结果对其他干涉型传感结构的设计具有一定的参考价值。     

Distributed strain sensor based on dynamic grating in polarization-maintaining erbium-doped fiber

A novel distributed fiber-optic strain sensor based on dynamic grating in polarization-maintaining erbium-doped fiber (PM-EDF) is demonstrated experimentally. The dynamic grating is written with light beams polarized along one primary polarization axis of the PM-EDF, and read with a light beam polarized along the other primary polarization axis. When a strain is applied to the fiber, the detected Bragg reflection frequency of the dynamic grating shifts in proportion to the birefringence change, which is proportional to the strain. By employing the technique of synthesis of optical coherence function, the dynamic grating is localized in a region that can be shifted to sweep along the fiber to determine the location of the strain. In the experiment, a spatial resolution of 20 cm is demonstrated.     

自锁紧式光纤Bragg光栅管式应变传感器

为了便于实现应变传感器两端铠装光缆与传感器自身牢固的连接,提高其在工程中抗拉拽等能力,研制了一种由不锈钢管、法兰盘和自锁紧螺帽等元件制作的自锁紧式光纤Bragg光栅管式应变传感器。光纤光栅通过限位堵头内的环氧树脂固定于不锈钢管内,应变作用于拧在不锈钢管上的法兰盘,带动不锈钢管和粘贴在上面的光纤光栅发生形变,检测出光纤光栅的波长变化量就可以反算出应变的大小。使用万能拉力试验机对其进行拉力荷载试验,结果表明,该传感器的灵敏度为0.45pm/με,线性度为3.71%FS,重复性为7.43%FS,迟滞性为3.85%FS。     

保偏光纤光栅应变传感器的研究

针对光纤布拉格光栅(FBG)温度和应变的交叉敏感问题,设计了一种带熔点保偏光纤光栅(PMFBG)结构。该结构通过将2段保偏光纤带加大推进量熔接,形成中间凸起结构,然后在熔点位置写入光栅。文中首先采用熊猫保偏光纤设计制作了该结构,并搭建实验装置测试其在(0~2)N轴向应力作用下的反射光谱,发现PMFBG快轴和慢轴的反射谱均分裂成2个峰值,随着轴向应力的增加,反射谱整体产生红移,同时分裂的2个峰值强度的比值单调减小,且不受温度的影响。随后,采用有限元法分析了该结构的轴向应变分布,并基于传输矩阵法仿真分析了该PMFBG反射光谱随应力的变化特性,仿真与实验结果的一致性较好。证实可利用PMFBG反射光谱的峰值之比消除轴向应变与温度的交叉敏感性,实现轴向应变的测量。     

Studies on multi-wavelength fiber Bragg grating laser strain sensor

A novel stable multi-wavelength fiber Bragg grating laser is achieved and its sensing characteristic with the strain is studied. The beat signals generated by the multi-wavelength fiber laser are measured under different strains. Four-wave mixing (FWM) is firstly observed in such a short-cavity fiber laser.     

Temperature-insensitive strain sensor based on four-wave mixing using Raman fiber Bragg grating laser sensor with cooperative Rayleigh scattering

A temperature-insensitive strain sensor based on Four-Wave Mixing (FWM) using two Raman fiber Bragg grating (FBG) lasers with cooperative Rayleigh scattering is proposed. Two FBG were used to form two linear cavities laser sensors based on Raman amplification combined with cooperative Rayleigh scattering. Due to the very low dispersion coefficient of the fiber, it is possible to obtain the FWM using the two lasers. This configuration allows the operation as a temperature-insensitive strain sensor where both sensors have the same sensitivity to temperature but only one of the FBG laser is sensitive to strain. The difference between the wavelengths of the signal sensor and the converted signal presents a strain coefficient sensitivity of 2?pm/??? with insensitivity to temperature. The FWM efficiency is also dependent on the applied strain, but it is temperature independent, presenting a maximum sensibility of 0.01?dB/???.     

强度调制的啁啾光纤光栅加速度传感器

设计了一种基于啁啾光纤布拉格光栅的新型加速度传感器,该传感器主要由矩形悬臂梁构成的传感机构和光纤光谱仪及光电探测器组成。导出了啁啾光纤布拉格光栅的反射谱带宽与加速度的关系;通过光谱仪检测啁啾光纤布拉格光栅反射谱的带宽或检测光电探测器输出的电压,即可获得加速度的大小。实验结果表明,该啁啾光纤布拉格光栅反射谱带宽及光电探测器输出的电压对温度变化不敏感,且在0~700m/s2测量范围内,反射谱带宽与加速度间具有良好的线性关系。由于反射谱带宽展宽造成了光纤布拉格光栅反射率的降低,因此光电探测器输出电压的线性响应范围只能达到0~35 m/s2,带宽和电压灵敏度分别达到0.005 6nm·m-1·s-2和0.785 6m V·m-1·s-2。     

强度调制的啁啾光纤光栅加速度传感器

设计了一种基于啁啾光纤布拉格光栅的新型加速度传感器,该传感器主要由矩形悬臂梁构成的传感机构和光纤光谱仪及光电探测器组成。导出了啁啾光纤布拉格光栅的反射谱带宽与加速度的关系;通过光谱仪检测啁啾光纤布拉格光栅反射谱的带宽或检测光电探测器输出的电压,即可获得加速度的大小。实验结果表明,该啁啾光纤布拉格光栅反射谱带宽及光电探测器输出的电压对温度变化不敏感,且在0~700 m/s2测量范围内,反射谱带宽与加速度间具有良好的线性关系。由于反射谱带宽展宽造成了光纤布拉格光栅反射率的降低,因此光电探测器输出电压的线性响应范围只能达到0~35 m/s2,带宽和电压灵敏度分别达到0.005 6 nmm-1s-2和0.785 6 m Vm-1s-2。