基于结构化光纤Bragg光栅的折射率梯度传感器研究

研究结构化光纤Bragg光栅(FBG)在折射率(RI)呈线性分布的液相介质环境下的响应特性。数值仿真结果表明,结构化FBG的反射谱特性强烈依赖于液相介质折射率(RI)的线性分布函数的某些特征参数,比如液相介质的RI沿FBG轴向的分布梯度、RI在FBG两端的差值等。基于理论仿真结果,建立了结构化FBG在低RI区(1.330～1.360)对液相介质的RI梯度进行测量的线性近似理论模型。通过相关实验研究,证明了理论仿真和分析的合理性及基于结构化FBG的RI梯度传感器在现实应用中的可行性。     

折射率周期分布取样光纤Bragg光栅的快速分析方法

基于Chebyshev恒等关系,提出了一种分析折射率周期分布取样光纤Bragg光栅(Sampled Fiber Bragg Grating,SFBG)的快速方法.这类SFBG由许多结构一致的折射率分布周期构成,对应计算过程中多次重复的幺模矩阵运算,计算效率低;利用Chebyshev关系可将传输矩阵的幂运算简化为一次矩阵运算,因而这种快速算法能有效地简化计算.应用此方法分析两种典型的周期性结构光栅（周期啁啾SFBG和二元相位SFBG）,数值结果充分验证了其计算速度上的优势.     

光纤Bragg光栅压力传感机理研究

对光纤Bragg光栅的压力传感机理进行了理论研究。分析了引起光纤光栅中心波长偏移的各种物理效应，并对几种不同形式压力下各种物理效应所引起的灵敏度系数进行了计算。计算结果表明，纵向和横向压力灵敏度系数相反，屏蔽一个方向可获得较大的压力传感灵敏度；波导效应所引起的应变灵敏度系数都比弹光效应小几个数量级，因此可以忽略。并首次提出在不同方向的压力作用下，弹光效应对应变灵敏度具有不同的贡献。     

光纤Bragg光栅的频谱特性

利用数值模拟方法分析了光纤Bragg光栅的结构参量对其频谱特性的影响,研究了旁瓣效应与κL值的关系,通过实验给出了第一、第二旁瓣的反射率与κL值的函数关系.实验测得频谱同理论模拟结果基本吻合,所得结论可为设计与制作高边模抑制比的光纤光栅提供参考依据.     

聚合物封装的高灵敏度光纤Bragg光栅温度传感器

将光纤光栅封装于一种有机聚合物基底中,制成温敏元件,测量了20～100℃不同温度下光纤光栅的反射谱.由于基底材料的带动作用,封装后的光纤光栅温度灵敏度为83.07×10-6/℃,是相应裸光纤光栅的12.3倍.     

镀镍光纤Bragg光栅温度传感特性实验研究

在光纤智能金属结构材料中,为了保护光纤Bragg光栅并使得传感器与基体金属有很好的结合性,在光纤Bragg光栅表面化学镀镍,并实验研究了化学镀镍前后的光纤Bragg光栅的温度传感特性.实验表明：镀镍后的光纤光栅的Bragg波长随温度变化呈现出良好的线性和重复性,Bragg光栅温度灵敏度变大.     

光纤Bragg光栅水听器特性及实验研究

论述了光纤Bragg光栅（FBG）水听器探头基元 （FBG）的传感特性,分析了FBG的耦合系数、反射率、反射带宽和栅长对光纤Bragg光栅水听器传感特性的影响.通过改进光纤Bragg光栅水听器探头封装结构,增加了其压力敏感系数.并将实验结果与标准水听器（压电型）比较,标定出光纤Bragg光栅水听器的声压灵敏度;对传感信号进行电路解调,得出了解调结果,结果显示与原始声波信号基本一致.试验表明,在1 kHz~25 kHz的声波检测范围,光纤Bragg光栅水听器响应平坦度好,信号输出稳定,证明文中采取的改进措施是有效的.     

差动式光纤Bragg光栅沉降仪

研制了一种测量地表沉降变形的差动式光纤Bragg光栅沉降仪。等强度悬臂梁的底部固定于工地上的固定平台,顶端通过刃口、挂钩和连杆与沉降墩连接。在该测量中,沉降仪将沉降墩的地沉降量转换为悬臂梁的挠度。悬臂梁作用粘贴于其上下表面的光纤Bragg光栅产生应变,即传感光栅的Bragg波长产生了移位。对粘贴在悬臂梁上、下表面的传感光栅的Bragg波长进行差动运算,实现温度补偿,减小人为和气候因素的影响。在挂钩和沉降敦之间采用了螺旋结构连接,可通过调整螺旋或更换不同长度的挂钩来调节传感器的测量范围。荷载实验表明,该沉降仪的测量精度为0.004mm,低于变形测量中的科研级测量精度0.01~0.05mm。     

双悬臂梁光纤Bragg光栅应力传感器

报道了一种新颖的光纤Bragg光栅应力传感器.理论分析和实验证明了这种传感器Brrag光栅中心波长随应力变化的线性工作区.将光纤Bragg光栅贴于双悬梁的梁端面,在双悬梁的自由端部施加载荷,对光纤Bragg光栅的应力响应特性测试.当所加载荷为300 g时,光纤Bragg光栅中心波长变化了0.156 nm.从实验上获得了－0.05 nm/N的应力响应灵敏度.该结构具有应力增敏作用,且应力响应的线性、重复性和迟滞性较好.应力响应灵敏度随着梁的大小以及材料的力学参量的改变而改变.     

分布式光纤Bragg光栅波长校准方法

提出了一种利用标准参考光谱进行波长校准的方法。实验中利用由宽带光源和光纤可调谐滤波器组成的可调谐光源分别扫描了参考光谱和传感光栅的光谱。在参考通道,ITU标准参考模块的输出是具有固定波长的梳状光谱。利用高斯拟合算法计算出由标准参考透射谱峰值输出的对应的驱动电压,通过样条插值函数获得了滤波器输出波长与驱动电压的关系。计算光栅反射谱峰值对应的驱动电压,利用上面获得的滤波器输出波长与驱动电压的关系式可以计算出传感光栅的Bragg波长。实验结果表明,在较大的波长范围内实现了对多个传感光栅的波长校准,减小了由滤波器非线性输出造成的测量误差,具有较高的重复性。     

光纤布拉格光栅非线性传输特性的数值研究

 回顾了光纤布拉格光栅非线性耦合模方程的数值求解方法,分析了基于隐式龙格 库塔方法的预报校正系统的特点。为实现简捷、高效、高阶精度的光纤布拉格光栅非线性耦合模方程的数值仿真,设计了基于连分式修正法的预报-校正系统并与基本方法进行了对比。采用该方法可以极大地加长光栅的分段长度以节约计算时间,同时也不存在仿真过程中因计算方法产生的不收敛现象,误差对比分析表明该方法能够准确地模拟光栅的非线性传输特性。为解决静态和动态情况下仿真方法不统一并避免数值计算引起的冲击响应,根据光栅中光波传输的物理过程建立了静态和动态情况下统一的数值仿真模型并研究了仿真中所采用的多种技术,利用这些技术能够有效地仿真连续波和脉冲输入情况下光纤布拉格光栅的非线性传输特性。     

Lateral force sensor based on a core-offset tilted fiber Bragg grating

A novel lateral force sensor based on a core-offset tilted fiber Bragg grating (TFBG) is proposed and experimentally demonstrated. The lateral force is determined by the differential reflected powers between the cladding mode and Bragg mode in the TFBG. The sensors respond monotonically with the lateral force increasing from 0 to 1.75 N. The sensitivity of such a core-offset TFBG sensor can be tailored by choosing different core-offset values. The simple differential power detection method makes the implementation of the sensor system cost-effective and free of the influence of environmental and system fluctuations.     

Effects of distributed birefringence on fiber Bragg grating under non-uniform transverse load

Many theoretical and experimental studies have been developed to characterize the spectral response of an optical fiber Bragg grating (FBG) in axial strain fields in recent years. However, comparatively few works were devoted to the evolution of the spectrum when a FBG is subjected to non-uniform transverse load. In this paper, the effects of distributed birefringence on FBG under non-uniform transverse load are analyzed and a numerical simulation based on the piecewise-uniform approach is also discussed to simulate the responses of FBG under some typical non-uniform transverse strain fields. Experiment was carried out using different loads applied at different locations of the FBG. Good agreements between experimental results and numerical simulations have been obtained.     

基于滤波法的光纤光栅传感解调方案

FBG传感器对应变和温度的敏感体现在其反射光中心波长的变化上，因此如何测量波长的变化就成为FBG传感器的关键。在光纤光栅的多种解调方法中，因滤波法的测量器件制作简单，测量系统简易、方便直观而被广泛应用。主要介绍了8种基于滤波法的解调方法，对它们各自的成本、检测精度、测量范围、器件制作以及适用的环境进行了详细的比较，分析了它们的优缺点，以便于在不同的检测条件下选用最佳的解调方案。重点介绍了光学小波滤波解调法，探讨了其测量系统的原理，并指出该方法可用于微弱信号的检测与处理。     

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.     

传送带类问题归类分析

本文中的传送带类问题是指以皮带传送装置(传送带)为载体而构建的各类物理问题．传送带类问题丰富多彩，能够很好地再现物理知识和考查各种能力，因而值得我们分类探究．     

温度不敏感的光纤布拉格高压传感技术研究

 为了实现单一光纤光栅对压强精确测量,设计了一种温度不敏感的光纤布拉格高压传感器。对该传感器的温度特性及压强响应特性进行研究。给出了该传感器的结构及封装方法。从理论上分析了该传感器的温度去敏原理,推导了该压强传感器的光纤布拉格光栅中心波长与压强的关系,得到了该传感器的压强响应灵敏度的解析表达。通过实验分析传感器的温度特性及压强响应。实验结果表明,在21℃～260.8℃的范围内,实现了温度补偿,平均波长漂移量为0.75 pm/℃,在0～44 MPa的范围内,获得了-0.054 8 nm/MPa的压强响应灵敏度,是裸光纤布拉格光栅压力响应灵敏度的18.27倍。该传感器的压强响应具有很好的线性和重复性,实验值与理论值吻合得很好,该传感器能够通过一只光纤布拉格光栅实现压强的精确测量。     

切趾技术对光纤布拉格光栅法布里-珀罗滤波器反射特性优化的研究

利用矩阵分析法,针对两个相同光栅构成的光纤布拉格光栅法布里-珀罗(F-P)腔滤波器进行理论分析。数值模拟分析了光栅长度变化对光栅以及F-P腔滤波器反射特性的影响,指出光栅长度增加对反射特性影响的优缺点,分析利用常用切趾函数对光栅进行切趾,减小由于光栅长度增加导致反射谱的的旁瓣增大,对组成的F-P腔滤波器的反射特性的优化,得到了光栅切趾对F-P腔滤波器的反射特性的影响规律。对于在实际应用中制作出性能优良的光纤布拉格光栅F-P腔滤波器有一定的参考价值。     

Oscillation wavelength of fiber Bragg grating semiconductor lasers

Based on the physical fact that a laser containing a gain medium with homogenous line broadening oscillates at the wavelength which requires the smallest threshold gain due to the mode competition effect, after taking into account the wavelength-depended reflectivity distribution profile of a fiber Bragg grating, the oscillation wavelength λ_l of fiber Bragg grating semiconductor lasers has been investigated theoretically. The results show that the laser oscillation wavelength λ_B is not fixed at the Bragg reflection wavelength λ_l of fiber Bragg grating, and the offset between λ_B and λ_l depends on the reflectivity distribution profile of fiber Bragg grating and the gain profile of semiconductor gain medium.     

光纤光栅传感技术在工程中的应用

综述了光纤光栅传感器近年来在工程结构健康监测、石油产业、电力行业、岩土工程、航空航天、采矿、爆破、交通及医学等各个领域的应用情况。文章认为,限制光纤光栅传感器产业化和大规模应用的主要因素是缺乏统一的设计理论和制作方法,这使得不同厂家生产的传感器规格存在差异。另外,由于复杂的生产技术和精细的生产过程使传感器生产成本较高,而且能实际应用的光纤光栅传感器的解调产品并不多,且价格很高。根据上述分析,文中对该项技术未来的发展方向提出了展望。