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.     

用光纤光栅的啁啾效应实现温度不敏感的弯曲传感

本文首次将光纤布喇格光栅在梯度分布的应变作用下产生的啁啾效应应用于弯曲传感,提出了一种新颖的光纤光栅弯曲传感方法.由于传感量为光纤光栅的带宽,传感测量完全避开了温度的交叉敏感效应,实验测量得到了很好的线性响应.基于光谱分析仪0.1nm的光谱分辨率,实验的曲率分辨率为0.036m^-1,测量范围可达4m^-1.     

低成本长周期光纤光栅传感系统

研制了一种低成本长周期光纤光栅传感系统.利用高频CO2激光脉冲写入长周期光纤光栅边缘滤波效应原理,设计参考光路以补偿进入光电探测器前光路中各种扰动引起的光功率起伏.当输入为单波长信号光时,可以通过测量探测器输出的电信号来获得光纤光栅所承受的温度和应变信息.在温度实验里,温度和探测到的电信号成较好的二次关系,温度分辨率为0.014℃;在应变实验里,施加的应变和探测到的电信号成线性关系,应变分辨率为2.5 με.该传感系统结构简单,成本较低,响应快.     

利用调谐滤波技术的光纤光栅复用传感器

采用光纤光栅悬臂梁线性调谐技术 ,提出了利用调谐滤波技术对光纤光栅复用传感信号进行检测的方案 ,在分析其基本工作原理的基础上 ,实验研究了其波分复用传感特性 ,传感测量的结果与光谱分析仪直接测量的结果基本一致。传感器的波长分辨率主要取决于系统的最小可探测光功率 ,由于采用了高灵敏度的光电测量系统 ,传感测量的波长分辨率可达 0 .0 0 5nm ,应变分辨率可达 5.7× 10 - 6 。     

一种高分辨率的光纤光栅传感解调技术

报道了一种基于光纤激光器波长扫描寻址的高分辨率的光纤光栅传感解调方案。光纤激光器的扫描寻址过程由微机来控制。微机控制光纤激光器波长扫描的同时,同步采集、处理传感信号,并通过曲线拟合给出传感光栅的中心反射波长值。本解调方案的波长移动分辨率为０．１ｐｍ,可以实现高分辨率的温度及应变测量。     

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.     

温度补偿的悬臂梁光纤光栅力传感研究

本文提出了一种新颖的基于悬臂梁结构的光纤光栅力传感方法,将光纤光栅粘贴在悬臂梁和固定端基板的结合处,利用梁与基板对力和温度的不同响应,成功地实现了对力和环境温度的同时传感测量,消除了由于温度变化所引起的交叉敏感对传感测量准确性的影响.基于光谱分析仪0.1nm的光谱分辨率,实验可得到的力的测量分辨率为0.03N,测量范围可达1.5N,温度分辨率为3.4℃(力不变时可达0.86℃).实验结果与理论分析基本一致.     

基于光频域反射技术的超弱反射光纤光栅传感技术研究

光纤光栅传感技术近年来的快速发展对复用容量和空间分辨率提出了更高的要求。采用超弱反射光纤光栅(FBG)结合光频域反射技术(OFDR),实现了大容量、高空间分辨率的准分布式光纤光栅传感网络的解调。通过对拍频信号分离的优化和非线性矫正,利用拍频信号的频谱信息,实现了高空间分辨率的光纤光栅位置信息的提取,并进行各个光栅拍频信号时域上的分离,再结合希尔伯特变换还原光栅的反射光谱信息,实现光栅的波长解调。实现了单根光纤上200个间隔为20 mm、中心波长为1552.8 nm、反射率仅为0.1%的全同超弱反射光纤光栅的解调。实验结果表明,在-10℃~80℃的温度范围内,各个光栅的中心波长随温度变化的线性度达到99.6%以上。     

铜片封装光纤光栅传感器的应变和温度传感特性研究

提出了一种光纤光栅的铜片封装工艺,并通过实验和理论分析研究了光纤光栅的应变和温度传感特性.与裸光纤光栅的测试结果相比,铜片封装工艺基本不改变光纤光栅应变传感的灵敏度,但是温度灵敏度系数提高了2.78倍.经过铜片封装后的光纤光栅可以探测到的应变和温度分别为1 με和0.03℃,便于工程应用.     

基于双芯光纤级联布拉格光纤光栅的温度与应力解耦双测量传感系统

提出了一种基于耦合型双芯光纤级联布拉格光纤光栅的温度与应力双参数解耦测量的全光纤型传感系统。实验制备了一系列不同长度的双芯光纤滤波器,并测量分析了其自由光谱范围与双芯光纤长度的关系,结果与理论基本一致。实验发现双芯光纤及布拉格光栅对施加应力与环境温度的变化具有不同的光谱响应。利用光谱分析仪实时监测双芯光纤透射光谱波谷处波长及光纤光栅透射谱的波长漂移量,方便地实现了温度与应力的解耦双测量。多次测试发现该传感器对应力与温度响应特性具有良好的重复性,波长误差低于实验所用光谱仪分辨率。对于0.01 nm波长分辨率的光谱仪,提出的全光纤型传感器可以分别实现4.3048με及0.4562℃的应力与温度传感测量分辨率。     

Differential FBG sensor for temperature-compensated high-pressure (or displacement) measurement

A differential fiber Bragg grating (FBG) sensor with a free active element bulk-modulus for high-pressure (or displacement) measurement is presented. Based on the differential measurement method and an isosceles triangle cantilever structure, problems of cross-sensitivity and chirped signal in FBG sensor are improved both theoretically and experimentally. Preliminary experiments indicate that temperature-compensated measurement results agree well with the theoretical analysis. Displacement measurement sensitivity is 1.75 pm/μm, and the estimated pressure measurement resolution can reach 0.27 MPa in case the wavelength shift measurement resolution is 0.01 nm.     

基于边缘解调技术的光纤光栅波登管压力传感器的研制

研制了光纤光栅弹簧管压力传感器,并与双边缘解调技术相结合搭建了基于边缘解调技术的光纤压力传感器检测系统,对传感器和解调器的性能进行了测试,给出了实验结果.压力灵敏度为0.33nm/MPa,解调系统线性拟合度为0.99977,系统压力测量分辨率可达0.01MPa.     

阵列波导光栅解调的准分布式光纤光栅传感器

从理论上和实验上研究了一种操作简单、响应速度快,价格低廉和高分辨率的基于阵列波导光栅(AWG)的准分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感器.该传感系统采用了阵列波导光栅双通道强度解调技术对光纤光栅的布拉格波长和温度进行精确的解调.实验结果表明,该系统对宽带宽光纤光栅的布拉格波长和温度解调均具有高线性度,考虑系统稳定性及光纤布拉格光栅之间的串扰影响,波长测量精度仍可达2 pm,温度测量精度优于0.2℃.     

Dynamic strain measurement using two wavelength-matched fiber Bragg grating sensors interrogated by a cascaded long-period fiber grating

In this work, we describe a fiber Bragg grating (FBG) sensing system using two wavelength-matched FBG sensors for static and dynamic strain measurement. A cascaded long-period fiber grating (CLPG)-based demodulation technique has been used to interrogate the two wavelength-matched FBG sensors. Experimental results of static strain measurement show that the proposed system has a strain resolution of 1 με. This system has also been used for dynamic strain measurement. An eddy current displacement meter-based system has been used as a comparison measurement. Experimental results of dynamic strain measurement have proved that the FBG sensing system has a good performance in the measurement of dynamic strain. The results of static and dynamic strain measurement indicate that the sensing system using two wavelength-matched FBG sensors is superior to the single FBG sensor system.     

基于偶联剂技术的光纤光栅压力传感实验研究

报道了利用偶联技术封装光纤光栅压力传感器的新方案.通过采用特殊聚合物材料将光纤光栅封装于金属管中,并采用偶联材料分别与聚合物和光纤以化学键偶联的工艺,解决了由于有机弹性体聚合物的弹性模量（1.2×105 N/m2）与光纤光栅的弹性模量(7×1010 N/m2)相差很大,在压强较大时易导致光纤光栅与聚合物材料之间的撕裂滑脱问题,改善了光纤光栅压力响应特性.封装后的光纤光栅压力的线性测量范围为0.04 MPa~0.6 MPa,压力响应灵敏度为－4.48 nm/MPa,与裸光栅压力响应灵敏度－0.003063 nm/MPa相比,增敏了1463倍.利用实验中所使用光谱仪0.05 nm的分辨率,压强测量准确度为±0.01 MPa,线性度为0.9978.     

High resolution temperature insensitive interrogation technique for FBG sensors

In this letter, we propose a high resolution temperature insensitive interrogation technique for FBG sensors where one FBG acts as an edge filter to interrogate a separate FBG sensor. A high resolution of better than 5 με in strain measurement range from 0 to 1100 με and the best resolution of better than 1 με were verified by experiments. An error of only ±2.2 με is achieved over a temperature range from 15 to 50 °C, indicating that this strain interrogation technique is temperature insensitive. Using an altered system configuration, the temperature was also measured simultaneously with a resolution better than 0.2 °C.     

基于虚拟仪器和可调谐激光技术的光纤光栅传感系统

提出了一种新颖的基于虚拟仪器(VI)和可调谐激光技术的光纤光栅(FBG)传感系统,利用可调谐激光对由光纤光栅组成的传感器阵列进行波长扫描,实现了多根光栅的复用准静态解调,并结合抖动技术和反馈环结构,使得探测信号在每一根传感光栅中心波长处过零,以提高系统在测定波长偏移时的分辨力。当反馈环工作在闭环状态下时,该系统还可对单根光栅实现动态跟踪锁定,实现单根光栅的动态解调。该传感系统的数据采集采用虚拟仪器技术,通过多通道同时输入输出实现了在线实时解调。实验采用了4根光栅组成传感阵列,获得了静态多根光栅小于1με和单根光栅动态频率10 Hz时3.3 n/εHz的解调分辨力,动态应变范围在850με。     

A novel fiber Bragg grating high-temperature sensor

A novel fiber Bragg grating (FBG) sensor for the measurement of high temperature is proposed and experimentally demonstrated. The interrogation system of the sensor system is simple, low cost but effective. The sensor head is comprised of one FBG and two metal rods. The lengths of the rods are different from each other. The coefficients of thermal expansion of the rods are also different from each other. The FBG will be strained by the sensor head when the temperature to be measured changes. The temperature is measured basis of the wavelength shifts of the FBG induced by strain. A dynamic range of 0–800 °C and a resolution of 1 °C have been obtained by the sensor system. The experiment results agree with theoretical analyses.     

基于光栅应变传感器的纳米测量机探针设计

为了提高纳米坐标测量机探针的测量精度,且能满足对复杂曲面或微结构进行精确测量的要求,提出了一种新颖的基于微探针系统的光纤布拉格光栅(FBG)探针。该探针具有较高灵敏度和可重复性。提出该新型FBG探针,即探针里有一个熔融的球形顶端,FBG作为应变传感器内置在测杆上。介绍了光纤探针的基本原理,并利用有限元软件ANSYS 11对探针的应变分布在轴向和横向载荷两种典型配置分别进行了仿真分析,结果表明仿真分析和理论计算相吻合。通过实验对光纤探针的灵敏度和分辨率分别进行测试。实验结果表明,在轴向载荷条件下,用位移分辨率为1.5 nm的压电换能器对探针进行性能测试,得到光纤探针的测量分辨率为60 nm。即光纤探针具有较高的灵敏度和分辨率,其性能满足实际测量需要。