布拉格光纤光栅传感器在非均匀应变场中的响应分析

在非均匀应变场的作用下,布拉格光纤光栅的主要参数有效折射率和光栅周期都会发生非均匀的变化,导致光纤光栅的反射光光谱结构发生变化。在光波导耦合模理论的基础上,建立了布拉格光纤光栅在非均匀应变场下反射光谱的分析数学模型,利用龙格 库塔法对其进行了数值求解。给出了几种典型应变场下的布拉格光纤光栅的反射光谱,并分析了它们的特点。     

用双周期光纤光栅实现温度和应变的同时测量

介绍了光纤光栅传感器的一般原理，分析了长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅的应变和温度响应机理。结果表明，长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与纤芯参数和光栅周期有关，还依赖于包层参数。在同一根光纤上先后写入长周期光纤光栅、Bragg光纤光栅，利用长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅基模与包层模耦合时温度和应变灵敏度的不同，实现应变和温度的同时测量。     

π相移光纤光栅对超声波致非均匀应变场的传感特性

π相移光纤光栅用于水中超声传感时,超声波沿光纤轴向入射和垂直光纤入射时的传感波形及幅度显著不同。针对这一现象,本文建立了基于光学传递矩阵的光纤光栅声传感理论模型,计算了超声波分别沿轴向和沿垂直方向入射时π相移光纤光栅中的非均匀应变场分布,进而分析了光谱偏移,揭示了两种入射角度下π相移光纤光栅的传感特性与声传播导致的应变场分布相关,并通过实验进行了验证。结果表明,两种入射角度产生的不同的非均匀应变场分布对π相移光纤光栅的传感特性影响明显。超声波垂直入射时的传感波形和幅度均优于轴向入射,且π相移处对传感有显著作用。当入射位置远离π相移处时,垂直入射的响应也明显降低。本研究可为π相移光纤光栅超声传感的机理分析提供参考。     

可分离温度影响的FBG应变测量方法

光纤布拉格光栅在通信和传感领域具有广泛的应用。利用光纤布拉格光栅中心波长的偏移，可以测量温度和应变等多种物理量，但必须解决光栅对温度和应变的交叉敏感问题。该文简要分析了光纤光栅作为传感器的基本原理及其优点，设计了利用参考光栅法分离温度影响以及利用掺铒光纤的自发发射放大特性分离温度影响的2种应变测量方法。最后，介绍了一种利用倾斜光纤光栅的主模和边模对布拉格光栅中心波长的偏移进行解调的方法，该方法成功地分离了温度对应变测量的影响。     

光纤光栅温度与轴向应变响应机制分析

本文对温度和轴向应变对长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅耦合波长的影响机制作出分析,通过有代表性的举例计算数值给出了各因素对耦合波长的影响,指出轴向应变对耦合波长的影响除了来自光弹性效应带来的光纤折射率的改变外,光纤半径的变化,特别是光栅周期的改变也起重要作用.对比分析找到了长周期光纤光栅与Bragg光纤光栅温度,应变响应系数数量级异同的原因.     

FBG分布式非均匀应变重构准确度分析研究

以剥层算法为基础,分别从非均匀解调应变大小、重构算法的特征参量以及光栅初始结构参量等对光纤布喇格光栅应变重构准确度的影响进行相关研究分析.结果表明:工作长度为5~30mm的光纤布喇格光栅最佳应变解调在3 000με以内,在该应变解调范围内,保持光栅剥层的分层长度为0.1mm左右时,应变重构准确度和效率较优,折射率调制幅度越小,应变重构误差越小;同时,对于非均匀应变检测使用的强光栅,折射率调制幅度约为0.000 12时,应变检测结果最好.本文的研究结果对提高非均匀应变的重构准确度具有重要的指导意义.     

线性滤波法高速解调技术中的测量有效性研究

光纤光栅在不均匀应变场中会由于其反射谱的展宽而带来测量误差.线性滤波法是一种适合于高频瞬变信号的解调方法, 在光纤光栅参数取典型值时, 使用传输矩阵法对线性滤波法解调光纤光栅在不均匀应变场中反射谱的过程进行了数值模拟.模拟结果表明, 固定应变峰值为3000 με, 应变波波长大于0.0025 m时, 测量相对误差不超过3 %;固定应变波长0.05 m, 应变波幅值小于10000 με时, 应变误差不超过0.25 %.使用Hopkinson压杆装置对数值模拟结果进行了验证, 结果与数值分析结论较为吻合.     

光纤光栅啁啾化传感研究

提出了光纤光栅啁啾化传感概念和传感机理,将光纤光栅微观分解为栅区长度范围的许多具有独立感知能力且彼此关联的有效作用子栅集,表述了有效作用子栅集与待测环境场空间梯度分布之间的对应关系,从而较好地解释了光纤光栅啁啾谱产生的内在机理.理论推导并实验验证了光栅啁啾谱各谱参量(波长、带宽和反射光强)与待测环境场(温度和应变)之间的对应关系,为利用单一光纤光栅实现多参量同时区分测量、任意非均匀空间分布场传感提供了科学有效的解决方法.     

正弦形构造的光纤光栅自致啁啾效应

结合均匀光栅在受到非均匀应变时会产生啁啾效应的原理,提出了一种利用正弦结构将均匀光栅调制成啁啾光栅的方法。设计了正弦结构的基底材料,将光纤光栅粘贴在基底材料的应变非均匀区,通过施加拉伸载荷将其产生的应变引入FBG栅区,使得FBG产生了啁啾效应,FBG被调制成具有多个反射峰和宽带宽的啁啾光栅;使用有限元软件对正弦结构拉伸载荷下的应变进行了仿真,得到了正弦结构不同位置的应变云图;实验结果在位移载荷最大为8 mm时,得到了带宽增加5倍,反射谱具有多个反射峰的啁啾光栅;结合传输矩阵法对啁啾光栅的反射谱进行光谱仿真重构,仿真光谱与实验光谱趋势基本吻合。     

利用非均匀镀铜技术实现光纤光栅的色散可调

提出了一种利用非均匀镀铜技术在光纤光栅的外包层镀上径向均匀轴向厚度渐变的铜膜,通过温度控制来调节光纤光栅的啁啾量,从而实现光纤光栅的色散可调,用于动态的色散补偿。在理论方面,建立了完整的热平衡方程,对轴向厚度渐变镀铜膜光纤光栅在温度控制下的受力情况进行分析;分析了光纤光栅在同时受到温度变化和非均匀应力时的反射、时延、色散等特性,并进行了数值仿真。在实验方面,在自制的均匀光纤光栅上利用先真空镀后电镀的方法镀上了轴向厚度渐变的铜膜,并对镀膜后的光纤光栅利用温度调节装置进行测试,不同温度变化下光纤光栅的特性和理论仿真结果基本一致,从而验证了理论分析的正确性。     

非轴向力下埋入式光纤传感器应变传递分析

利用剪滞法建立了当光纤光栅传感器的轴线和基体主应力的方向成一定角度时,光纤光栅传感器的测量应变与基体结构实际应变之间的关系,进而得出了光纤光栅传感器的平均应变传递率的一般公式。采用裸光纤光栅传感器进行实验,在倾斜角度α为30.72°时,实验所得的波长变化之比分别为:0.727,0.738,0.746;理论计算所得的波长变化之比为0.739,相对误差都在2%以内。同时分析了埋设角度偏差对测量结果的影响。研究结果表明,非轴向力作用下光纤光栅传感器的应变与结构基体应变之间的传递关系与其在轴向力作用下存在明显的区别,埋设角度的偏差会给测量结果造成一定的误差。     

埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

埋入式光纤光栅应变传感器作为大型土木结构健康监测的智能元件具有很好的发展前景。讨论了埋入式光纤光栅应变传感器的传感机理，设计了埋入式光纤光栅应变测量系统。从力学角度阐述了光栅传感探头的结构和制作工艺。采用可调谐F-P滤波器对光栅信号进行解调，解决了应变与温度交叉敏感问题。系统对应变的测量范围为0～1500με。通过理论分析证实了系统方案的可行性。     

植入碳纤维蜂窝夹芯结构的光纤光栅热载荷响应光谱研究

针对航天领域复合材料结构在空间服役环境的热响应监测需求,研究了一种热载荷作用下基于光纤Bragg光栅(FBG)反射光谱特征分析的碳纤维蜂窝夹芯结构监测方法。将光纤Bragg光栅传感器分别植入碳纤维蜂窝夹芯结构的不同铺层,通过监测不同热载荷下各铺层位置的光纤光栅反射光谱,得到碳纤维蜂窝夹芯结构相关铺层位置热应变特征。研究表明,碳纤维蜂窝夹芯结构不同材料铺层的热应变特征存在一定差异。植入外蒙皮表面与玻璃布之间的光纤光栅反射光谱随着温度升高,中心波长向长波方向漂移,且波形未出现明显改变。埋植于外蒙皮第二、三层碳纤维织物预浸料之间的光栅反射光谱随着温度降低逐渐出现旁瓣、多峰等啁啾效应,其主峰与右侧次峰中心波长均向短波方向逐渐漂移,主峰峰值幅度变化较小,温度灵敏度约为5.56×10-3 dBm·℃-1,而右侧次峰幅度显著增大,温度灵敏度约为40.32×10-3 dBm·℃-1;埋植于内蒙皮和蜂窝芯子之间的光栅反射光谱随着温度降低,其半波峰带宽逐渐增大,变化率约为3.19 pm·℃-1,且出现显著多峰趋势,这是由于层间热应力分布不均匀所形成。在-70~+60 ℃温度范围,各植入层热应变均随温度升高而增大,且变化趋势相接近,而在+60~+120 ℃温度范围内,各植入层热应变变化趋势呈现显著差异。这些特性能够为后继空间环境复合材料航天器结构状态在轨监测提供有益帮助。     

单轴晶体包层啁啾光纤光栅中电光效应和弹光效应的理论研究

提出了以单轴晶体材料为包层,光轴平行于光栅主轴(z轴)的新型啁啾光纤光栅模型,应用耦合模理论和传输矩阵方法在理论上分析了该类光纤光栅中的电光效应和弹光效应,理论研究发现在包层施加沿光栅轴向的电场和应变场可以改变布拉格波长和反射谱。得到了3种不同单轴晶体为包层时布拉格波长λB和反射光谱随外加电场和应变场变化的曲线。研究结果表明当轴向外加电场从1×107V/m变化到8×107V/m时λB减小0.12nm,当外加应变场从0变化到0.04时,λB减小0.45nm。     

光纤布拉格光栅电流传感的理论和实验研究

对皮磁致伸缩棒调谐光纤布拉格光栅为基础的新型电流传感器进行了理论和实验研究。将一个光纤布拉格光栅牢固地粘贴在一置于多层螺线管中心部分的磁致伸缩棒上，构成传感头。当通过螺线管的电流改变时，磁致伸缩材料在均匀磁场的作用下产生沿纵向的应变并传递到光纤光栅上，从而导致光纤光栅的布拉格波长移动。外加电流和波长移动之间的关系是线性的，线性调谐的波长范围为0.9nm，电流强度范围为900mA，灵敏度约为1000mA/nm，电流强度可精确到10mA。理论和实验符合得很好。     

利用双周期光纤光栅实现应变和温度同时测量

提出了一种新颖双周期光纤光栅传感器。在同一段氢载光纤上先后写入长周期光纤光栅、短周期布拉格光纤光栅 ,利用长周期光栅和布拉格光栅对应变和温度敏感性的差异 ,可实现应变和温度的同时测量。实验中采用这种灵敏结构的双周期光栅 ,在 0～ 170 0 με和 2 0℃～ 12 0℃范围内 ,测量精度可达到± 16 με和± 0 8℃。     

Superposition of fiber Bragg and LPG gratings for embedded strain measurement

When a fiber Bragg grating strain sensor is embedded inside a structure, the interaction of the sensor with the host material can lead to spurious results if the radial strain is neglected. In this article, we use numerical simulations to show that the axial and radial strains can be simultaneously measured with a single fiber in which a Bragg grating and a long-period grating are superimposed. Moreover, we present an optimal architecture of the sensor.     

基于色散补偿光纤的高速光纤光栅解调方法

本文提出并论证了一种光纤光栅高速解调的新方法, 利用色散补偿光纤的色散效应, 将光纤光栅的波长漂移信息转换成时域信息. 采用脉冲激光器作为光源, 仅需一个光脉冲可获取单根光纤上所有光纤光栅的反射光脉冲, 再根据各个光栅反射回光脉冲的延时变化即可实现波长的解调. 本方法可用于准分布光纤光栅传感网络解调, 系统采用全光纤结构, 无需波长扫描, 大大提高了解调速度. 本文搭建了测试系统进行实验验证, 对3个光纤光栅组成的准分布式传感网络进行了解调, 实验结果表明, 解调出的光纤光栅布喇格波长线性度好, 解调速度最高可达1 MHz, 采样数据取10次平均后解调线性度可达0.9969, 解调误差约为27.8 pm.     

一种监测钢筋腐蚀的光纤光栅传感器的研究

钢筋腐蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性劣化的最重要因素之一。钢筋腐蚀将导致钢筋体积大大增加,混凝土保护层开裂、剥落,结构承载力下降,甚至倒塌。基于光纤布拉格光栅应变传感器的原理,根据钢筋腐蚀体积膨胀,提出了一种新的钢筋腐蚀光纤光栅传感器及温度补偿方法。传感器构造是在两根紧靠的钢筋中心附近粘贴光纤光栅,由于钢筋腐蚀体积膨胀,钢筋直径增加将转变成布拉格光纤光栅的应变,从而实现对钢筋腐蚀程度及速率的监测。传感器的监测原理是设置一个钢筋腐蚀光纤光栅传感器来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变,同时单独设置一个不锈钢光纤光栅传感器来测量温度引起的光栅应变。这两个光纤光栅传感器的应变监测,可分离出钢筋由于腐蚀所引起的体积变化。在混凝土结构中埋入封装的传感器,通过监测光纤光栅波长的漂移可以直接测量钢筋腐蚀程度,而且不受腐蚀因素的影响,可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测。最后通过实验标定了钢筋腐蚀率与光栅波长位移的关系。     

聚合物封装的高灵敏度光纤光栅温度传感器及其低温特性

介绍了一种新型的光纤光栅温度传感器。这种光纤光栅温度传感器使用了特殊的工艺将光纤布拉格光栅封装于一种热膨胀系数较大的有机聚合物基底中 ,使得传感器的温度灵敏性比裸光纤光栅提高了 12 .3倍 ,其温度灵敏度系数KT 达到 82 .6 9× 10 -6/℃。在 - 80～ 0℃的低温度范围内 ,对这种新型光纤光栅温度传感器的反射谱进行了测量。研究了这种新型光纤光栅温度传感器的低温特性 ,并与裸光纤光栅和铝基封装的光纤光栅进行了比较 ,结果表明这种新型的光纤光栅温度传感器具有很好的低温响应特性。