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.     

膜片式带温补结构的光纤光栅压力传感器

用栅区仅为1 mm、间隔仅为20 mm的超短光纤光栅串,借助激光焊接工艺制作出长度约为40 mm,直径约为20 mm的基于弹性膜片增敏的带温补结构的光纤光栅压力传感器,用于海洋深度探测.在0.6 MPa测量范围内,传感器的理论压力灵敏度为?1.218 nm/MPa,利用有限元分析法仿真得到的压力灵敏度为?1.364 n...     

光子晶体光纤温度压力传感器

提出了一种在高温环境下同时测量温度和气压的光子晶体光纤温度压力传感器.在普通单模光纤和光子晶体光纤之间熔接一段空心光纤构成干涉结构.空心光纤段构成非本征法布里-珀罗干涉仪,利用光子晶体光纤的微孔与外界相通,通过气体折射率变化来测量环境中的气压变化;光子晶体光纤段构成本征法布里-珀罗干涉仪,利用热膨胀效应和热光效应来测量环境中的温度.传感器的解调通过自制的白光干涉解调仪实现,实验通过测量腔长得到被测环境的温度和气压.在不同温度和气压环境下,对腔长分别为306μm和1535μm的温度压力光纤传感器进行连续测量.实验结果表明,传感器能够在28~800℃的温度下和0~10 MPa的气压下稳定工作,测量范围内温度灵敏度可达17.4 nm/℃,压力灵敏度随温度增加而降低,在28℃时可达1460.5 nm/MPa.     

基于微结构光纤和游标效应的高灵敏度压力传感器

结构健康监测、医疗诊断分析、气压检测以及军事工程应用等领域对压力的高灵敏度探测要求越来越高。光纤传感器由于其体积小、灵敏度高及抗电磁干扰等优点被广泛应用于压力测量。针对石英材料的杨氏模量较高,传统实芯光纤压力传感器的受压变形量较小,导致测量灵敏度很难提高。文章提出了一种基于游标效应的双Sagnac干涉环式光纤压力传感器。传感器由保偏光子晶体光纤(Polarization Maintaining Fiber, PM-PCF)作为敏感单元实现Sagnac干涉并通过不同PCF长度实现针对压力增敏特性的游标效应。传感器分别采用在单模光纤中嵌入PM-PCF形成传感器的参考单元和压力敏感单元,并对Sagnac环的感压部分进行封装,通过实验对并联型Sagnac环压力传感器的压力特性进行研究。实验结果表明在压力范围为0～2.4MPa内,压力传感器最大灵敏度为-54.491nm/MPa,分辨率为0.367kPa。相比无游标效应的Sagnac环压力传感器,其压力灵敏度放大了16.7倍。此外,传感器具有制造简单、结构坚固、运行稳定的优点,为高灵敏度压力传感器提供了一种替代设计方案。     

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.     

光纤光栅压力传感器的理论建模及实验研究

鉴于压力传感器为工业生产中压力监控的一种必不可少的设备,分析了光纤光栅中心波长与光纤光栅应变之间的关系,阐述了带有硬中心的圆形膜片受到均匀压之后,膜片中心的挠度与压力之间的数学关系。在此基础上设计了圆形膜片作为流体压力转化光纤光栅敏感物理量的元件,并结合辅助元件完成对光纤光栅传感器组装,建立了传感器输入输出之间的线性数学模型。通过实验验证传感器线性度和重复性,运用数学计算得出了光纤光栅压力传感器各项参数,灵敏度Km=-0.658 nm/MPa,初始波长0=1 578.441 nm,为后期传感器稳定性作好了铺垫。     

双波长高灵敏度Bragg光纤光栅压力传感器

裸光纤光栅压力灵敏度只有 -2. 05×10-6 /MPa,这样并不能将其用于低压力范围内的测量 本文改进了封装结构,利用金属管结构对光纤光栅部分封装,制作成双波长高灵敏度光纤光栅压力传感器 其压力灵敏度在 0~0. 44MPa的范围内可达-2. 44×10-3 /MPa,是裸光栅的 1200倍,大大提高了光纤光栅压力传感的灵敏度 采用自行研制的Bragg光纤光栅,其反射波长为 1558. 00 nm,峰值反射率为 99% 封装后的Bragg光纤光栅位于铜管的轴心,将其一部分 (约光纤光栅的二分之一 )封装到长 25mm,外径 10mm厚为 0. 8mm的铜管内 室温为 18℃时将封装好的光…     

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm~(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10~(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.     

基于拉杆结构的光纤布拉格光栅渗压传感器研究

根据目前大坝、隧道和煤矿等工程领域和模型试验中对渗压检测的特殊要求,设计并实现了一种新型的光纤布拉格光栅(FBG)渗压传感器,采用波纹膜片和对称拉杆机械结构通过改变光纤光栅的轴向应变实现渗压传感。利用有限元软件ANSYS分别对传感器膜片的压力特性和传感器外壳抗压特性进行了仿真设计和性能分析,提高了传感器的可靠性并缩短了设计周期。对该传感器进行了压力标定试验,得出该传感器在0～100 kPa的测量范围内,压力灵敏度达20 nm/MPa,比普通FBG提高了6683倍。迟滞特性和重复性试验表明迟滞为0.85%,且重复性好。     

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。     

活塞式菱形结构光纤布喇格光栅渗压传感器

为了适应矿井、大坝对渗压监测的需要,提出一种活塞和菱形传压结构相结合的光纤布喇格光栅渗压传感器,活塞把测试压力传递到菱形传压结构,菱形传压结构拉动其上下对称连接的弹性钢片,导致粘贴在弹性钢片上的光纤布喇格光栅中心波长产生变化.利用有限元方法在500kPa的测试环境中对顶角分别为90°、110°、130°、150°情况下菱形传压结构的应力特性进行分析,根据仿真参量研制了渗压传感器,并对该传感器进行了压力标定试验和温度补偿试验.实验结果表明:传感器对渗压的灵敏度为2.04nm/MPa,拟合度为0.997,重复性为0.9%,两个测压光栅温度灵敏度分别为0.023 33nm/℃、0.021 68nm/℃,温补光栅为0.009 916nm/℃.     

光纤光栅弹簧管压力传感器的压力和温度特性

本文利用弹簧管对于压力的机械放大作用,将弹簧管与光纤光栅悬臂梁调谐技术相结合,研制了一种新颖的光纤光栅弹簧管压力传感器,大大提高了光纤布喇格光栅对压力测量的灵敏度,压力灵敏度系数可达-1.79×10^-4/MPa,比裸光栅提高了两个数量级,在0～12MPa的压力范围内,光纤布喇格光栅中心反射波长的改变与压力成良好的线性关系.同时由于悬臂梁热膨胀效应的影响,光纤光栅的温度灵敏度提高为裸光栅的7倍.     

动态激励下的FBG应变传感器原位校准方法

针对光纤光栅应变传感器测量桥梁结构动态应变值的准确性问题,提出了一种动态激励下的光纤光栅应变传感器的校准方法。采用等强度悬臂梁模拟桥梁结构,在等强度悬臂梁末端瞬间悬挂不同重量的砝码来模拟桥梁上汽车产生的动态激励。以电阻应变片作为参考传感器,光纤光栅应变传感器作为待校准传感器,将这两个传感器的测量数据序列进行比对。针对传感器的测量数据序列出现的时间错位问题,采用互相关算法对参考传感器和待校准传感器的测量数据进行数据匹配。在光纤光栅应变传感器有初始值的情况下进行测量值校准的研究。实验结果表明,该方法有效解决了测量数据序列的时间错位问题,实现了光纤光栅应变传感器的动态校准,采用不同重量的砝码作为激励源对校准结果没有影响,1529 nm和1547 nm波长的光纤光栅应变传感器灵敏度校准系数与静态标定结果基本一致。     

基于F-P腔干涉的膜片式光纤微机电系统压力传感器

基于法布里-帕罗腔的干涉原理,采用微机电系统技术加工制作了一种光纤微机电系统压力传感器.采用浓硼扩散自停止腐蚀和磁控溅射的方法,制备厚度为6 μm、机械灵敏度为0.502 μm/MPa的传感器敏感膜.基于强度解调技术,利用干涉腔的反射功率与压力的关系对压力进行解调.分析了腔长变化对反射率的影响,确定传感器线性工作点的波长,建立稳定的压力传感测试系统.测试结果表明,该传感器压强最小分辨率为62 Pa,灵敏度达到0.51 nW/KPa,具有良好的线性度、灵敏度和重复性,适用于人体内压力测量和口腔义齿压力测量.     

基于无芯光纤的多参数测量传感器

设计并制作了一种基于单模-无芯-单模-无芯-单模光纤结构的马赫-曾德尔传感器,可用来同时测量折射率和温度.该传感器中,两处无芯光纤充当输入、输出耦合器,中间单模光纤作为传感臂.利用有限元仿真和理论分析,确定耦合器和传感臂的最优长度为15 mm.在无芯光纤中激发出的高阶模进入单模光纤的包层传输,由于倏逝场的作用,受到环境折射率和温度的影响.选取透射谱不同干涉级次的波谷作为研究对象,实现了折射率和温度的同步测量.实验结果表明:1545 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–153.89 nm/RIU(refractive index unit)和0.166 nm/℃;1570 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–202.74 nm/RIU和0.183 nm/℃.该传感器在实现折射率和温度同步测量的同时,仍能保持较高灵敏度,在生物医疗等方面有着较好的应用前景.     

熊猫光纤光栅压力传感特性研究

采用有限元法建立了熊猫光纤光栅的压力传感模型,分析了压力变化所导致的内部应力分布.结果表明,熊猫光纤光栅双峰间距随着压力增加而增大,其快轴方向的压力灵敏度系数为-4.08 pm/MPa,其绝对值大于慢轴方向-3.5 pm/MPa.理论分析和实验测量了几何结构对压力传感特性的影响规律,结果表明,熊猫光纤光栅压力灵敏度系数与猫眼半径距离比的平方成线性关系.对比实验结果表明,无法通过测量熊猫光纤光栅双峰间距的方案实现对温度不敏感的压力传感测量.     

基于F-P腔干涉的膜片式光纤微机电系统压力传感器

基于法布里-帕罗腔的干涉原理,采用微机电系统技术加工制作了一种光纤微机电系统压力传感器,采用浓硼扩散自停止腐蚀和磁控溅射的方法,制备厚度为6μm、机械灵敏度为0.502μm MPa的传感器敏感膜.基于强度解调技术,利用干涉腔的反射功率与压力的关系对压力进行解调,分析了腔长变化对反射率的影响,确定传感器线性工作点的波长,建立稳定的压力传感测试系统,测试结果表明,该传感器压强最小分辨率为62 Pa,灵敏度达到0.51nW/WKPa,具有良好的线性度、灵敏度和重复性,适用于于人体内压力测量和口腔义齿压力测量.     

光纤光栅压力传感器中应力迟滞的消除方法

提出了一种利用双光纤光栅消除光纤光栅压力传感器中应力迟滞的方法.将两个相同波长的光纤布拉格光栅分别对称粘贴于悬臂梁的上下表面并串接在一起,外压力作用下可实现调谐双光栅布拉格波长差.研究结果表明,该方法可消除弹性元件材料所引起光纤光栅压力传感器的应力迟滞,改善传感器的线性响应特性和重复性,在0~40 MPa的压力范围内,双峰波长差的调谐范围为5.12 nm,是单峰波长调谐范围的2倍,压力调谐双峰波长差的灵敏度可达0.128 nm/MPa,是压力调谐单峰波长灵敏度的2倍.     

白光干涉解调光纤MEMS压力传感器

为了在强电磁干扰、高温、高压等恶劣环境下实现压力的测量,进一步提高传感器的小型化并降低其制作成本,提出并设计了一种基于白光干涉解调的光纤法布里-珀罗压力传感器,实现了传感器的压力测量.基于微机电系统技术,采用光刻、阳极键合以及化学腐蚀的方法制作了以硅和玻璃构成的法布里-珀罗腔体,使用二氧化碳激光器对法布里-珀罗腔体与光纤进行焊接.基于白光干涉解调技术,利用斐索干涉仪与法布里-珀罗腔体的互相关关系对传感器进行了解调,并做了压力实验.实验结果表明:传感器在120~300kPa范围内具有较高的腔长变化灵敏度和线性度,分别为9.012 7nm/kPa和99.9%;传感器分辨率为0.1nm,重复性为0.1%.研究成果对低成本、高一致性光纤F-P传感器的批量制作具有一定的参考价值.     

新型光纤光栅水声传感器的研究

提出了一种新型的光纤布拉格光栅(FBG)水声传感探头结构以及光纤光栅传感信号的自解调方法。利用一对匹配光栅构成推挽结构,实现了传感-解调的合二为一,大大地减小了系统的复杂度;并通过筒状弹性体结构,解决了裸光纤光栅测量水声信号的灵敏度过小的问题,并具有温度补偿作用。仿真与初步实验结果表明,该水听器探头的测量动态范围超过100 dB,在100~200 dB re 1μPa的水声压范围内,测量灵敏度为0.36 nm/Mpa。