光纤光栅传感器的应力补偿及温度增敏封装

针对光纤光栅（FBG）温度传感器的交叉敏感问题,提出了一种FBG温度传感器的Al盒封装工艺,并对其温度和应力特性进行了理论分析和实验研究。研究表明,该封装有效地减小了FBG的应变灵敏性,并将温度灵敏度提高到裸FBG的1．8倍。     

一种新颖的高压光纤布拉格光栅传感器

提出了一种新颖耐高压的光纤布拉格光栅(FBG)压强传感器.推导了该压强传感器的FBG中心波长与压强的关系,得到了其压强响应灵敏度的解析表达.从实验获得该压强传感器的压强响应灵敏度为0.0592nm/MPa,是裸FBG压强传感器的19.73倍;在0～45 MPa内,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,且压强响应灵敏度和测量范围是可调的.     

钛合金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（FBG）的Ti合金片的封装工艺,实验和理论研究了FBG的应变和温度传感特性。与裸FBG的测试结果相比,Ti合金片封装工艺基本不改变FBG应变传感的灵敏度,但是温度灵敏度系数提高了1.76倍。经过Ti合金片封装后的FBG可以探测到1με和0．05℃。     

基于外差探测的双金属片结构FBG温度传感系统

提出了一种基于外差探测的双金属片结构光纤布拉格光栅(FBG)温度传感系统方案.将两个相同的FBG粘贴在膨胀系数不同的两个金属片上,利用两个金属片膨胀系数的不同,使两个FBG产生不同的中心波长的漂移,通过一个光电二极管探测其光强,再利用外差技术解调出温度的变化.与传统的双光纤布拉格光栅的系统不同的是,该系统中的参考FBG也能感测温度的变化,通过两个FBG反射波产生不同的相位差来获得温度的变化.数值仿真和理论分析表明该系统解决了传统M-Z干涉仪在测量温度时,应变与温度交叉敏感的问题.但是由于该系统的探测精度高,会导致量程范围的降低.因此该系统适用于温度变化不大,但精度要求比较高的情况.

Abstract：

Proposed is a double-sheet-metal structure FBG temperature sensor system based on heterodyne detection. Two same FBGs are affixed on two sheet metals with different coefficient of linear thermal expansion, because of which the changes of the two FBG's reflected wavelength are different, the two reflected signals are detected by a photoelectric detector, and the change of temperature can he obtained by detecting phase difference between the two reflected signals, which is different from that of traditional double FBG system. The two sheet metals make the two FBG in the same surrounding, and the two FBGs are affected by the same phase noises, which will not introduce phase difference between the two FBGs. Numerical simulation and analysis show that this system can solve the cross-sensitivity problem, but the high detection accuracy results in a narrow detection range. So the system applies to the situations which need high detection accuracy but narrow detection range.     

基于反射谱带宽展宽的FBG温度补偿压强传感

利用平面圆形膜片应变调谐的特点,采用膜盒式结构,将光纤Bragg光栅(FBG)沿径向贴于平面圆形膜片,利用反射波的带宽对压强敏感而对温度不敏感的特性解调压强,成功实现了温度补偿的压强传感测量.基于光谱分析仪(OSA)的0.05 nm分辨率,实验可得到测量系统的带宽随压强变化的灵敏度为0.28 nm/MPa,压强分辨率为±0.18 MPa,压强动态测量范围可达0.0～7.2 MPa.实验结果与理论分析相符.     

FBG位移和温度双参量传感实验研究

采用一种新颖的等强度梁FBG传感结构，将光纤光栅沿梁的轴向粘贴在传感梁上，并确保光栅的一半粘贴在梁上，另一半则沿梁的轴向呈自由状态。通过两部分光栅对梁自由端位移和环境温度的不同响应，实现温度和位移的同时测量，测量误差不大于4％。通过多次实验验证，所得实验结果与理论分析相符合。     

双光纤Bragg 光栅用于FBG型传感器的温度补偿

理论分析了FBG型传感器的温度应变交叉敏感机制，利用温度和应变响应相同的光栅对实现了光纤Bragg光栅应力／应变传感器的温度补偿，有效的消除了交叉敏感对FBG型传感器测量精度的影响，有利于光纤Braagg光栅传感器的实用化。     

光纤Bragg光栅高温传感技术研究

从温度传感理论模型的角度研究了光纤Bragg光栅(FBG)的温度传感特性,推导了封装后的FBG温度传感器的温度响应灵敏度系数的解析式,分析了FBG的高温响应特性,提出了在高温环境中降低FBG的非线性响应效应的方法.实验结果表明,提高基体材料的热膨胀系数能有效降低FBG传感器在高温环境中的非线性的影响.     

新颖的光纤光栅温度压力同时区分测量传感器

提出了一种基于圆柱形容器和活塞结合的双光纤Bragg光栅(FBG)温度和压力同时区分测量的传感模型.将FBG 1和FBG 2粘结在基底材料上,基底材料固定在活塞和圆柱形底部间,圆柱形容器内压力和温度的变化将引起FBG 1波长的变化,圆柱形容器内温度的变化引起FBG 2波长的变化,通过2根光栅的波长漂移来进行温度和压力的区分测量.实验测得该传感器的压力响应灵敏度系数为0.822 3 nm/MPa,温度响应灵敏度系数为0.032 2 nm/℃,分别是裸FBG的274倍和3.2倍.该传感器可以实现10 MPa压力以下、-20～100 ℃温度的液体和气体的高精度同时测量;可以改变基底材料的种类或基底材料和活塞的参数,实现不同灵敏度要求的温度、压力同时测量.     

低温环境下FBG温度传感特性研究

在低温环境中,光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)材料的热膨胀系数和热光系数会发生改变,从而影响其温度传感特性。文章通过实验研究了裸光纤光栅传感器和黄铜管封装的光纤光栅传感器在低温下的温度传感特性。结果表明,在80~300 K温度范围,裸FBG温度传感器的灵敏度为6.43 pm/K,线性度为0.974,在80~230 K温度范围,温度与光纤光栅的中心波长呈现非线性关系;黄铜管封装的FBG温度传感器,在整个温度范围内灵敏度可达26 pm/K,线性度为0.996,较裸FBG温度传感器均有较大提升。对比实验表明,对光纤光栅进行封装,可以提高其温度灵敏度和线性度,改善温度传感特性。     

新颖的高灵敏度光纤Bragg光栅压强传感器

提出了一种新颖的基于线性膜片的光纤Bragg光栅(FBG)压强传感模型。给出了FBG反射波中心波长与压强的关系以及压强灵敏度系数的表达式。该传感器压强响应灵敏度系数的理论值为-9.50nm/MPa,实验值为-8.73nm/MPa,分别是裸FBG灵敏度系数的3166和2910倍。理论值和实验值基本吻合。该传感器有很好的线性度,并可以通过调节膜片的大小和材料的弹性模量及泊松比来调节传感器的压强响应灵敏度。     

差动式光纤Bragg光栅土压计及其温度特性的研究

基于平面圆形薄板和悬臂梁组成一复合结构,实现了光纤Bragg光栅(FBG)压力传感器的差动式测量.结果表明:传感器分辨率为0.05%,重复性为0.14%,回程误差为0.38%,线性误差为0.24%,基本误差为±0.57%;以20℃为基准,在-20～ 100 ℃,温度引起的零点漂移不超过满量程的1.9%,随着工作温度范围减小至-20～ 50 ℃,零点温度漂移也减小至满量程的0.6%,在0～ 30 ℃,温度特性非常好,零点温度漂移最大为满量程的0.07%.给出了进一步改善传感器压力传感特性和热稳定性的方法.     

基于弹簧管悬臂梁的FBG压力传感的研究

提出了一种等强度悬臂梁与弹簧管结合的高灵敏度的光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器。将FBG粘贴在悬臂梁的下表面,粘贴方向与悬臂梁轴线一致。理论分析了FBG中心波长相对偏移量与压力的关系,实验测得该传感器的压力灵敏度为2.767×10-4/MPa,是裸FBG压强灵敏度系数的142倍。压力灵敏度与悬臂梁和弹簧管的几何参数有关,改变参数,可获得不同灵敏度的压力传感器。     

颅内温度和压力传感器校准与补偿算法研究

为了实现对病人颅内温度和压力的准确监测,克服温度传感器和压力传感器存在的噪声、温度漂移等测量误差,该文根据负温度系数热敏电阻和压阻传感器性能特征,设计了传感器校准与补偿算法。该算法首先对传感器采集的信号进行滤波处理,去除噪声,然后设计实验对压力传感器进行温度补偿。结果表明,该算法可以有效保证颅内温度测量误差为-0.1～+0.1℃,压力测量误差在-133.322～+133.322 Pa,满足临床测量范围和精度需要。     

偶联剂自组装对聚合物FBG压力传感器性能的影响

用超分子和熵驱动自组装机理,使偶联剂在Si基质光纤Bragg光栅（FBG）上形成平均直径为2．0～2．3μm的胶体球,分析了聚合物、偶联剂和FBG的耦合机理。用偶联剂均匀和自组装涂敷方式,分别封装了聚合物FBG压力传感器,并测试了其性能参数。结果表明,在其他封装工艺相同的情况下,采用偶联剂自组装涂敷,传感器的量程从0．6MPa扩大至1．6MPa。耦合失效实验由54次延长至125次,压力灵敏度系数由1．09提高到2．98。通过球体直径和线密度控制,可以改变传感器的量程和灵敏度。     

光纤光栅埋入后温度、应变解耦分析

光纤光栅传感器在现实应用中的一个主要问题是温度和应变的交叉敏感问题.介绍了光纤双光栅同步测量温度和应变的原理,设计了一个光纤双光栅温度、应变测量系统,对光纤双光栅的温度和应变传感性能进行了实验研究,结果表明光纤双光栅具有多参量同时测量的能力.     

一种同时测量温度和压力的FBG传感器

报道了一种能同时测量温度和压力的FBG(光纤布拉格光栅)传感器,这是将单个FBG的一部分(约为整个光栅的一半)牢固地粘在开口环上所形成的FBG传感器。当对开口环升高温度和施加压力时,能够利用单个FBG实现对温度和压力的同时测量。实验结果表明,在温度22～82℃及压力0～10N范围内,温度和压力的响应具有良好的线性。     

布里渊温度和压力传感器增敏设计

设计了一种基于分布式传感技术的薄壁圆筒型液体温度和压力传感器.选取具有耐腐蚀、弹性性能好以及热膨胀系数大的不锈钢316L和铍青铜C17200分别对传感器进行封装.利用有限元仿真软件ANSYS Workbench对封装的传感器压力和温度特性进行仿真分析,得到器件的径向应变量,分析其布里渊频移随压力和温度的变化关系.仿真实验表明,使用铍青铜C17200封装的传感器压力灵敏度和温度灵敏度更高,在0～12 MPa、-5～40℃范围内压力灵敏度达11.1 MHz/MPa,温度灵敏度达2.56 MHz/℃,相较于普通单模光纤分别提升7.4倍和1.7倍.     

光纤Bragg光栅温度传感滞后性研究

设计并建立了光纤Bragg光栅(FBG)温度传感实验装置,在20～260℃温度范围内对掺Ge单模FBG进行温度传感性能测试。通过比较升温与降温过程各相同温度点FBG中心反射漂移差,发现FBG对温度响应具有滞后性,滞后时间随温度的升高而减小。理论系统分析了滞后原因及规律,并提出了解决方法。