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。     

陶瓷封装对光纤光栅体温测量探头效果的影响

利用陶瓷封装技术,设计并制作了多只光纤光栅温度传感头,测试了探头的测试灵敏度、稳定性、重复性、响应速度等多个参数受封装加工形式的影响。实验采用恒温水浴装置,在36℃~45℃的温度范围内使用了中心波长位于1 540 nm和1 550 nm附近的多只布拉格光纤光栅进行了对比测量。实验结果表明:陶瓷封装布拉格光纤光栅的波长/温度响应度为9.815 pm/℃,测量标准偏差为0.08 ℃。     

基于FPGA和DS18B20的温度光栅的波长标定方法

提出了一套基于FPGA(fiber-Bragg-grating)和DS18B20的温度布拉格光栅的波长标定方法。基于DS18B20对外界温变的实时响应特性,将数字温度传感器DS18B20与连接了光谱仪的温度光纤布拉格光栅FBG置于同一温度场中,以现场可编程门阵列FPGA(field-programable-gate-array)作为数据处理和控制芯片,设计了通过串口发送智能指令对温场变化的实时监控和显示系统。方法中不需要温箱进行恒温控制,降低了FBG波长标定的成本及功耗。实验表明,标定出的波长-温度曲线线性度为0.999,测得光栅的温度灵敏度系数为9.899 pm/℃,与用恒温箱测得的结果10.468 pm/℃相差0.569 pm/℃,在系统允许误差0.619 pm/℃范围内,验证了该方法的准确性。     

用光强衰减方法测量交联型聚氨基甲酸酯的交联温度

提出了用导波光学方法测量交联型聚合物材料的交联温度。即在对聚合物薄膜处理时,利用光波导的衰减全反射光谱中导模峰对聚合物材料的折射率敏感的特性,来测量聚合物材料参量。研究了交联型聚氨基甲酸酯材料在升温过程中薄膜折射率的变化。实验结果发现,温度相关的折射率dn/dT会发生不连续变化。整个dn/dT曲线有两个交叉点,这两个交叉点之间的温度范围就是聚合物材料的交联温度范围。第一个和第二个交叉点的温度分别被称之为材料的开始交联温度和完全交联温度。测得的交联型聚氨基甲酸酯材料的交联温度即最佳极化温度范围为85～122℃。通过对不同极化条件(是指开始极化的温度在测得的交联温度范围中变化)下聚氨基甲酸酯材料电光系数的测量验证了交联温度测量结果的准确性。     

镀金光纤光栅温度传感器的低温特性

介绍了用相位掩膜方法制作光纤布拉格光栅(FBG)以及镀金的FBG温度传感器.通过实验研究了-70℃～0℃之间的裸FBG和镀金FBG温度传感器的中心波长低温变化特性.实验结果表明裸FBG和镀金FBG温度传感器的中心波长在-70℃～0℃的区间随温度线性变化,重复性较好并且几乎没有迟滞现象.裸光纤布拉格光栅和镀金FBG温度传感器的温度灵敏系数KT分别为0.0101nm/℃和0.0283nm/℃.并且它们的线性拟合度都超过0.999.     

光纤光栅的温度补偿

提出了一种简单、小型的光纤光栅温度补偿器件，将光纤光栅粘贴在具有负热膨胀系数的材料上，实现了光纤光栅的温度补偿。该器件在-20～44℃温度范围内光栅波长变化0.08m，是未补偿光纤光栅的1／8。     

长周期光纤光栅温度和应力传感特性研究

本文报道了长周期光纤光栅(LPG)温度和应力传感特性的实验研究结果,测得LPG的温度和应力灵敏系数均高于光纤布喇格光栅(FBG)灵敏系数的典型值,在11～80℃和0～100gf的温度和应力测量范围内,温度和应力响应曲线具有较好的线性.基于同一LPG不同透射波长具有不同温度和应力灵敏度的特性,实现了温度和应力的单光栅同时测量.     

一种测量温度和流速的光纤光栅传感器

提出一种基于铝片的测量温度和流速的光纤布喇格光栅(FBG)传感器。采用一种耐高温胶将光纤布喇格光栅封装在一小铝片上，经过高温固化处理，可保持光纤光栅传感器的稳定性。通过-20℃～100℃温度实验，得到该传感器的温度灵敏度系数为0.0392nm/℃,是封装前的3.5倍，且传感器温度响应保持了很好的线性和重复性。从水温14.5℃时的流速实验中得到水流速在0～20m/s范围变化时，FBG峰值波长漂移了0.13nm,验证了此光纤光栅传感器测量流速的可行性。试验结果表明，该传感器既可以作为温度传感器，又可以作为流量传感器，并且制作简单，成本较低。     

压力与温度双参量传感优化系统的研制

研究了一种基于管式弹性应变敏感元件的光纤光栅传感器结构。利用双光纤布拉格光栅(FBG)产生双反射峰．对压力和温度进行了同时区分测量。在压力为0～20MPa,温度为20～150℃的范围内,布拉格反射波长对应压力与温度的变化均呈现良好的线性响应特性,响应灵敏度分别为0．089nm／MPa和0．024nm／C^-。压力温度双参量系数矩阵的实验拟合值与理论计算值之差仅占理论计算值的1．8％。该方法与标准测量方法比较,压力的准确度为0．47％;温度的准确度为0．74％。该方法还较好地削减了压力与温度交叉敏感的影响,按压力与温度测量的最大量限计算,温度对压力交叉影响的误差仅为0．16％。     

FBG测温系统的光谱校正算法的研究

为了解决在大范围、多点位温度实时监测过程中温度传感器铺设工程复杂、维护成本高等问题,研究开发了基于光纤布拉格光栅结构的温度监测系统。利用光纤光栅衍射对波长的选择性,建立了温度与波长的函数关系,通过计算波长变化量反演被测位置的温度信息。由于环境、材料等因素,光谱分布与温度变化并不满足线性变化,所以设计了光谱校正算法完成波长与温度函数的曲线拟合,曲线拟合度大于99.7%。实验采用FB136L-IAC型防爆干燥箱、LPT-200型二极管,1 550 nm光纤等对20～280 ℃范围内温度进行多点位实时检测,实验结果显示,当防爆干燥箱中的温度每改变1 ℃时,对应的中心波长向长波方向偏移大约0.04 nm,与标准温度测试数据进行对比,误差低于±0.3 ℃。由于系统采用光纤传感网络,所以具有很强的抗电磁干扰能力,而光纤光栅衍射可实现精密测量,动态响应范围大、精度高。系统的新颖之处在保证高精度测量的同时,仍满足大范围、多点位、高抗干扰能力的快速铺设,具有很强的实际应用价值。     

多模光纤光栅温度传感特性的实验研究

利用氢敏化处理的多模光纤制作了多模光纤光栅,并对多模光纤光栅的温度传感特性进行了实验研究与理论分析,表明这种光栅三个反射峰的布拉格波长随温度变化均呈现出良好的线性关系,并且重复性相当好,同一光栅的各反射峰的理论温度灵敏度系数都等于0．01nm／℃,实验测得的温度灵敏度系数为0．0098nm／℃或0．0099nm／℃,与理论分析相当吻合,这些特性与单模光纤光栅的温度传感特性接近相同。因此可以用多模光纤光栅代替单模光纤光栅开发光纤光栅传感器,以降低成本;这一实验结果还可以作为对多模光纤光栅进一步深入研究的参考。     

利用光敏光纤制作少模光纤布喇格光栅

利用相位掩模技术在光敏光纤中制作出了少模光纤布喇格光栅,1.06μm波长附近有2~3个特征峰,峰值约4~5 dB.对这种光纤光栅的特性进行了分析,结果表明理论与实验结果符合得较好,并对光纤光栅的温度特性进行了实验研究和理论分析,实验结果测得光纤光栅的温度敏感度为9~10 pm/℃.     

荧光光纤光栅传感特性的实验研究

在载氢掺铒光纤上写入Bragg光纤光栅,得到新型光子学器件-荧光光纤光栅.分别对其Bragg波长（λB）及荧光寿命（τ）的温度（T）及应变（ε）响应特性进行了实验研究,并且给出了λB和τ分别关于（T,ε）的拟合方程.实验结果表明：荧光光纤光栅的λB对T和ε的响应具备一般Bragg光纤光栅的优良特性,测得温度灵敏度为11.1pm /℃,应变灵敏度为1.19pm/με;而且τ对T和ε的响应也具有良好的线性关系,温度灵敏度为0.59 μs/℃,应变灵敏度为6.16 ns/με.实验结论为解决温度应力交叉敏感、实现温度应力的同时监测提供一条新颖的途径.     

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。     

一种新型的光纤光栅封装装置

介绍了一种新型剪刀形封装装置,并利用其进行了光纤布拉格光栅的温度补偿实验.这种封装结构保持了光纤光栅体积小的优点,同时无需给光纤光栅施加预应力;封装后不产生啁啾,并可与压电陶瓷结合,扩展光纤光栅布喇格波长的调谐范围;应变量的调节只跟金属丝有关,与支架的材料无关,从而大大简化了设计.在－30℃~80℃温区,温度灵敏度降低10倍以上,达到0.001 nm/℃,符合光纤通信要求.     

带宽调制型单光纤光栅温变无补偿位移传感

报道了利用反射谱带宽调制和光强差分探测技术实现单一光纤光栅温变无补偿位移精确测量的新方法。设计了一种结构新颖的曲臂梁位移传感装置,结合光波导理论与材料力学原理分析了光纤光栅在高斯应变作用下光栅反射谱侧向梯度展宽的成因,理论推导了特殊结构梁在外力作用下光栅反射谱带宽/反射光强与压力之间的响应关系。光栅反射谱侧向梯度展宽的同时反射光强线性增加,利用光强差分检测方法消除光源出光抖动的影响,提高了位移测量精度。基于带宽调制的光纤光栅位移传感方法免受温度变化的影响,在-10℃~80℃的温度变化范围内,测量误差小于1.2%,实现了单光纤光栅温变无补偿位移测量。     

采用WDM技术的光纤Bragg光栅传感网络

采用绝对测量原理的波长调制技术,光纤Bragg光栅可组成并行、串行和阵列WDM拓扑结构.分析表明,光纤Bragg光栅网络的工作原理类似于一个多宽带平面镜.利用光谱仪可测量上述光纤Bragg光栅网络的反射谱,其中,光源是宽带为～40nm的掺饵光纤放大器.当网络中的光纤Bragg光栅受扰动后,受扰光栅的反射谱发生相应的变化,即Bragg波长发生相应的偏移.结果表明,当事先确定了光纤光栅的波长调制范围,反射的峰值波长能反应光纤光栅传感网络的信息.值得注意的是～3nm的波长调制范围可满足～100℃和～2000με的参量测量.     

Temperature sensitivity of Ge-B-SiO(2) waveguide Bragg gratings on a crystallized glass substrate

Waveguide Bragg gratings were fabricated by plasma-enhanced chemical-vapor deposition followed by irradiation with KrF excimer laser light through a phase mask. The period of the Bragg grating was 0.53 mum, and the Bragg wavelength was ~1.53 mum . The temperature dependence of the Bragg wavelength was 11 pm/ degrees C for a 10GeO(2) -90SiO(2)(mol.%) core waveguide on a Si substrate, and the Bragg wavelength shift was successfully reduced to 5.0pm/ degrees C by use of a 14GeO(2)-12B(2)O(3)-74SiO(2) (mol.%) core and a crystallized glass substrate with a thermal-expansion coefficient of -2.0x10(-6)(/ degrees C) .     

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。     

改善波形并增敏的光纤光栅温度传感技术

选用热膨胀系数较大的聚合物和某种偶联材料,采用特殊工艺用其对裸光纤光栅进行封装,消除了封装过程中所带来的光纤光栅啁啾现象,极大地改善了光纤光栅反射波的波形,提高了封装测试过程的重复性,为波长解调解决了一大难题.在30.6℃~120℃范围内,测量过程中波形很好并几乎不变,温度灵敏度为0.1173 nm/℃,温度分辨率为<0.43℃,比裸光纤光栅增加了11倍;平均灵敏度增敏倍数γ′=10.34,与理论计算灵敏度增敏倍数γ=10.76符合得比较好.聚合物封装光纤光栅的温度响应曲线具有很好的线性.