一种基于光纤布拉格光栅的金属腐蚀传感器

基于钢筋混凝土中钢筋锈蚀膨胀和光纤布拉格光 栅(FBG)应变测量原理,设计了一种新型的FBG金属腐蚀传感器。传感器由FBG腐蚀测量传 感器、FBG温度补偿传感器和带有通槽、凹槽、 通孔的钢筋件组成。FBG腐蚀测量传感器用于测量钢筋锈蚀引起的应变,FBG温度补偿传感器 用于消除温 度交叉敏感特性。钢筋件的通槽用环氧树脂填充后,把腐蚀测量传感器的FBG紧密缠绕在钢 筋件的表面, 并固定在环氧树脂固定点上。温度补偿传感器的FBG经过增敏处理后布置在通孔中。推导了 钢筋锈蚀率与FBG波长的理论计算公式;制作了用水泥砂浆封装的FBG金属 腐蚀传感器;最后在制作的混凝土试件上进行加速腐蚀实验,考核传感器的性能。实验结果 表明,设计的FBG 金属腐蚀传感器能够直接测量钢筋的锈蚀程度,并且具有较大的量程,可实现钢筋 混凝土结构中钢筋的 轻微锈蚀和较严重锈蚀情况监测,适用于建筑、桥梁和隧道等领域钢筋混凝土结构中钢 筋锈蚀的结构健康监测。     

基于FBG柔性传感器的滑觉信号特性识别

针对目前为智能仿生体柔性皮肤领域提供支持的光纤布拉格光栅传感器研究对滑觉信号特性识别手段的不足,提出了一种通过人工学习网络对基于分布式光栅传感单元所检测的滑觉速度与滑觉载荷进行预测的方法。设计了由四支光栅构成的传感阵列,采用封装技术制成柔性传感器,并搭建实验平台对滑觉信号进行采集。给出了滑觉过程对布拉格光栅波长偏移曲线的作用原理,对经验模态分解与小波分析的去噪效果进行比较,信噪比分别达到15.99与16.15。搭建了滑觉实验系统,对采集的不同速度与载荷分度的滑觉信号的特征值设定提取标准,构建滑觉样本集,引入随机森林与神经网络两个回归模型进行训练,并对比了预测效果。实验结果指出,速度特性预测中,两种模型的R²系数分别为0.974 6和0.968 1,平均误差分别为5.22%和4.31%;载荷特性预测中,两种模型的R²系数分别为0.998 2和0.983 5,平均误差分别为1.12%和3.02%。该研究方法基本实现了对滑觉样本两种特征的准确识别,在柔性仿生皮肤传感领域对滑觉信号的研究具有一定价值。     

光纤光栅冰力传感器的开发及应用

根据裸光纤光栅(FBG)对应变的灵敏度远高于对压力的灵敏度这一特点,设计了一种基于等强度梁结构的FBG冰力传感器,并可以通过调节封装构件的尺寸调节其测量压力的灵敏度系数。对传感器的标定结果显示,这种FBG冰力传感器的线性相关度良好,实测的灵敏度系数与理论值一致。该种传感器在冰激桥墩振动模型试验中得到了应用,成功监测了桥墩在不同冰速撞击下受到的冰力。实验表明,这种FBG传感器灵敏度高、可靠性好、对结构自身的影响很小,可直接测量冰的撞击力,适合于模型实验中的冰力监测。     

基于光纤Bragg光栅的生物膜厚度及温度传感器

提出一种基于单端腐蚀结构的光纤Bragg光栅(FBG),用于膜反应器内生物膜厚度和温度的同时测量.给出单端腐蚀FBG对外部介质折射率(SRI)与温度同时测量的理论模型,制作腐蚀区直径约为7.1～7.4μm的单端腐蚀FBG传感器.实验结果表明,传感器在SRI为1.333～1.355内具有较好的线性度,折射率灵敏度为6.8...     

啁啾光纤布拉格光栅电流传感器

为了测量通电螺线管中的电流,设计了一种基于 光纤布拉格光栅(FBG)啁啾效应的电流传感器。磁场 中的圆盘形软铁受到通电螺旋管线圈磁场力的作用,引起矩形悬臂梁变形,从而导致粘贴在 悬臂梁侧边的 FBG的反射光谱带宽发生变化,其大小与电流强度成平方关系。利用光谱分析仪(OSA) ,通过检测FBG反射谱带宽的变化量,可以得到被测电流强度的大小。当OSA的分辨率为0.02nm时, 测量范围达到了27.1~1000mA。实验结果表明 ,FBG反射光谱带宽的变化量对温度变化不敏感, 当温度从－15℃变化到45℃时,3dB带宽的 最大变化约为5pm。实验结果和理论分析一致,表明本文该方案切实可行。     

基于倾斜光纤Bragg光栅的横向压力传感器研究

设计了一种基于4°倾斜光纤Bragg光栅(TFBG)和弹 性 材料的横向压力传感器。利用TFBG光谱对周围介质折射率响应的特性,实现了 对较低压力范围(0~7N)的线性测量。采 用快速傅里叶变换(FFT)方法对光谱进行解调,测量灵敏度可达1920 a.u./(N/mm),线性拟 合度为0.998。研究了不同弹性材料对测量灵敏度的影响,实现对测 量范围和测量灵 敏度的调谐。本文传感器工作在反射光谱方式,易于集成(光栅区长度仅5mm),可以植入弹 性材料内部用于协调接触压力的测量。     

Concentration sensor based on a tilted fiber Bragg grating for anions monitoring

The ubiquity and importance of anions in many crucial roles accounts for the current high interest in the design and preparation of effective sensors for these species. Therefore, a tilted fiber Bragg grating sensor was fabricated to investigate individual detection of different anion concentrations in ethyl acetate, namely acetate, fluoride and chloride. The influence of the refractive index on the transmission spectrum of a tilted fiber Bragg grating was determined by developing a new demodulation method. This is based on the calculation of the standard deviation between the cladding modes of the transmission spectrum and its smoothing function. The standard deviation method was used to monitor concentrations of different anions. The sensor resolution obtained for the anion acetate, fluoride and chloride is 79 × 10⁻⁵ mol/dm³, 119 × 10⁻⁵ mol/dm³ and 78 × 10⁻⁵ mol/dm³, respectively, within the concentration range of (39–396) × 10⁻⁵ mol/dm³.     

浮子式光纤Bragg光栅密度传感器

针对传统浮子式玻璃密度计测量人为因素影响的缺点,实现了易燃易爆液体密度的本安测量。浮子式光纤Bragg光栅液体密度传感器全部浸没在被测液体中,液体密度导致浮子受浮力作用,等强度悬臂梁发生挠度变化,粘贴在悬臂梁上的光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位,通过与传感器连接的光谱分析仪,得到Bragg中心波长移位量,算出被测液体的密度。通过试验,Bragg波长的移位-密度量为传感器的灵敏度,为1.2pm/kg/m^3,分辨率为0.83kg/m^3/pm。测量范围：0.000kg/m^3至2.459×10^3kg/m^3。     

基于光纤光栅的温度不敏感的倾斜传感器

提出了一种新型光纤Bragg光栅(FBG)的倾斜传感器,其结构由通过4根等长的刻有光栅的光纤悬挂在圆盘上的重物组成,4根光纤与圆盘的粘接点均匀分布在圆盘边缘,每根光纤的另一端共同下拉一重物,使每根FBG的受力均匀.当整个平台倾斜时,每根FBG的受力发生变化,从而导致每根FBG的反射(透射)中心波长发生变化,并通过光谱仪...     

Temperature-insensitive fiber Bragg grating strain sensor

A fiber Bragg grating strain sensor,whose reflection bandwidth is insensitive to temperature,is presented.The cross-sec-tional area is designed to change linearly.Under axial stress,there is a linear relationship between stress and average strain.Experimental results show that when temperature increases,reflection center wavelength shifts to longer wavelength,and there is a good linear relationship between center wavelength and temperature.When stress increases,reflection center wavelength shifts to longer wavelength,and reflection bandwidth increases.There are good linear relationships between reflection center wavelength and stress as well as reflection bandwidth and stress.     

基于膜片的光纤布拉格光栅压力传感器的研究

理论分析了光纤布拉格光栅的压力传感特性,给出了光纤布拉格光栅的中心波长与压力的关系以及压力灵敏度系数的表达式,并将光纤布拉格光栅纵向粘贴在自行设计型号为ZXYC01的平面膜片上进行了压力实验.实验结果表明光纤布拉格光栅压力灵敏度系数46 pm/MPa左右,其测量精度为0.5%F.S,而理论的压力灵敏度系数为51 pm/MPa左右,实验值和理论值基本相符,它们分别是裸光纤布拉格光栅压力灵敏度系数的23和26倍.同时发现光纤布拉格光栅的中心波长与压力变化有着良好的线性关系和很高的相关系数并且迟滞现象较小.     

基于光纤Bragg光栅的地震检波器的理论与实验研究

提出了一种新型的基于光纤Bragg光栅(FBG)的地震检波器。FBG地震检波器传感头由平面弹簧片、质量块和FBG构成。给出了该检波器的力学模型,理论推导与分析了该检波器的幅频特性和加速度灵敏特性,并讨论了影响该检波器灵敏度的主要因素。实验结果表明,该检波器具有良好的线性度、稳定性和耐受性;检波器的频率响应范围为10～140 Hz,传感器灵敏度为25.9pm/g,共振频率为167 Hz,较符合理论值;最高可检测加速度值大于30g。     

基于光纤光栅的重力式倾角传感器的研究与开发

基于光纤光栅技术,提出一种重力式倾角传感器,实现了对结构倾角的高精度监测。结构发生倾斜时,固定在结构上的重力式倾角传感器发生倾角变化,其内部光纤布拉格光栅发生波长变化。通过测量光纤布拉格光栅的波长变化,得到结构倾角的变化。通过对传感器进行标定试验,结果表明:传感器灵敏度系数52.53 pm/mm,相关系数均达到0.99以上;线性度误差4.78%,迟滞性8.30%,重复性误差9.34%,取得了良好的线性数据,证明该倾角传感器性能良好。研究成果对应用于倾斜结构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。     

一种基于单一椭圆铰链的光纤光栅加速度传感器

针对加速度传感器在振动分析与故障诊断中的需 求,提出了一种基于椭圆铰链的光纤布拉格光栅加速度传感器,椭 圆铰链和质量块组成加速度传感器理论模型的弹簧质量系统。首先,根据传感器结构的力学 模型,推导出了传感器的灵 敏度和谐振频率的计算公式,进而分析了传感器的结构参数对灵敏度和谐振频率的影响;随 后,采用Lingo软件对传感 器参数进行了最优化分析;最后,基于优化结果设计制作了光纤布拉格光栅加速度传感器, 测试了该传感器的灵敏度、 幅频响应和横向抗干扰等性能。结果表明,传感器的谐振频率约为750 Hz,灵敏度约为128 pm/g,横向抗干扰度小于5%,可用于350 Hz以下的低频微弱振动信号的实时监测。     

基于啁啾光纤布拉格光栅的流速传感器

设计了一种基于啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)的新型 流速传感器,包括CFBG压强传 感机构和文丘里管。压强传感机构中,密闭铝箔管横截面两边的压力差导致矩形悬臂梁变 形,从而引起粘贴在悬臂梁侧边的CFBG的反射光谱带宽发生变化。通过 检测其带宽,得到被测流体的速度。实验表明,CFBG反射光谱带宽对温度不敏 感,流速传感器的动态测量范围为8~100mm/s,设计方案是切实可行 的。     

基于楔形腔结构的光纤光栅位移传感器

提出一 种基于楔形腔结构的光纤光栅(FBG)位移传感器设计方法,制作了具有结构简单、体积小、 测量精度可调节和抗 电磁干扰等优点的FBG位移传感器。通过对制作的FBG位移传感器进行标定实验,得出传感 器的灵 敏度系数为13.77pm/mm,相关系数达到了0.99,线性度良好。在钢筋混凝土柱双向偏心 受压试验中,与电类位移计的测量结果对比表明,本文制作的FBG位移传感器测量结果准 确,实用性强,适用于工程结构长期的位移监测。     

光纤光栅应变传感器预紧封装及传感特性研究

介绍了一种具有预紧力的基片式光纤光栅应变传感器封装方法,并根据Ansys建模及实验对其传感性能进行研究。使用宽10 mm,长22 mm,厚1 mm的铝合金7075-T6材质基片对光纤光栅进行预紧封装,所得带预紧封装传感器灵敏系数为1.05 pm/με,线性度达到0.99以上。表明预紧封装基片式光纤光栅应变传感器具有良好的线性度和应变测试灵敏度,对光纤光栅传感器封装工艺有指导作用。     

Review of fiber Bragg grating sensor technology

The current status of the fiber Bragg grating (FBG) sensor technology was reviewed. Owing to their salient advantages, including immunity to electromagnetic interference, lightweight, compact size, high sensitivity,large operation bandwidth, and ideal multiplexing capability, FBG sensors have attracted considerable interest in the past three decades. Among these sensing physical quantities, temperature and strain are the most widely investigated ones. In this paper, the sensing principle of FBG sensors was briefly introduced first. Then, we reviewed the status of research and applications of FBG sensors. As very important for industrial applications,multiplexing and networking of FBG sensors had been introduced briefly. Moreover, as a key technology, the wavelength interrogation methods were also reviewed carefully. Finally, we analyzed the problems encountered in engineering applications and gave a general review on the development of interrogation methods of FBG sensor.     

光纤光栅传感网络的优化研究

光纤光栅传感网络在大型复杂结构健康监测中具有广泛的应用前景,对光纤光栅传感网络优化的研究具有重要的意义。分析了结构健康监测中光纤传感网络优化布局和可靠性的研究现状,对光纤传感网络优化中的传感器优化布局与光纤传感网络可靠性两方面进行研究。通过对结构响应特性研究,提出了对结构静力响应参数监测时,传感器布局的一般规则。将概率计算引入光纤 FBG 传感网络不同拓扑结构,给出了基于不同拓扑结构的光纤传感网络形式及其可靠性数值分析。     

碳纤维强化聚合物封装的FBG传感器制备与特性试验

采用碳纤维强化聚合物(CFRP)对光纤Bragg光栅(FBG)进行封装,研制出用于测量混凝土内部应变的FBG应变传感器,分析了传感器轴向应变分布与结构参数的关系.通过在等强度梁和霍普金森压杆(SHPB)上的试验,得到了FBG传感器的静态性能指标和动态响应特性,结果表明,FBG应变传感器线性度≤1%,埋入混凝土结构内的F...