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。     

少模光纤布拉格光栅折射率传感的分析与测量

理论分析和模拟计算了少模光纤布拉格光栅基模及高阶模的耦合与传输特性,得到在相同外部折射率变化情况下,少模光纤基模与高阶模耦合对应的布拉格波长变化,比正、反向基模之间耦合对应的布拉格波长变化显著增大.实验上制作了少模光纤布拉格光栅,测量了基模之间以及基模与高阶模之间对应的布拉格波长随外部折射率、温度变化的情况,得到与理论分析相符的结果.而对于温度变化对折射率测量结果干扰的问题,提出了通过计算布拉格波长差来克服温度影响的方法.这些结果为采用布拉格光纤光栅测量外部折射率变化提供了一种新的途径.     

非栅区封装光纤布喇格光栅应变传感特性研究

针对表面粘贴式非栅区封装结构,依据变形等效原理,推导了该结构的应变传递函数,仿真分析了非栅区封装中间段长度与封装材料弹性模量对应变传递效率的影响.分别采用有机环氧胶与金属锌,将两只光纤布喇格光栅用非栅区封装方式固定在同一根钢丝上,进行拉伸试验,试验结果表明:两种材料的拉伸曲线线性度均达到0.99以上,表明两种封装材料的应变传递一致性较好;金属锌封装结构的应力感知灵敏度平均值为0.142 6nm/KN,环氧有机胶封装结构的应力感知灵敏度平均值为0.130 4nm/KN;各种应变值下,金属锌封装结构的应变传递系数均稳定在0.995左右,而环氧有机胶封装结构的应变传递系数在0.91左右上下波动,金属锌的应变传递效率较有机环氧胶高了近9.34%.试验结果与数值仿真结果较为吻合,可为非栅区封装光纤布喇格光栅传感器的设计提供依据.     

微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究

利用光纤布拉格光栅方程和光纤基模有效折射率随纤芯半径和环境折射率的函数关系, 建立了微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)反射波长随环境折射率变化的数学模型, 给出了波长灵敏度函数, 并指出MNFBG反射波长的变化规律决定于有效折射率随纤芯半径和环境折射率变化的关系. 详细探究了有效折射率及其灵敏度的变化规律, 结果表明: 有效折射率随纤芯半径和环境折射率的减小而非线性减小, 其对环境折射率变化的灵敏度随环境折射率的增大而非线性增加, 而且随纤芯半径减小, 有效折射率的灵敏度、线性度以及线性响应范围均呈递增规律. 通过对纤芯半径为0.5 μm的MNFBG在1.20–1.30和1.33–1.43 环境折射率范围内的波长响应关系拟合, 分别获得了477.33 nm/RIU和856.30 nm/RIU的波长灵敏度以及99.58 %和99.7%的高线性度, 论证了分析结论以及折射率区间划分测量方案的正确性, 为MNFBG折射率传感器的设计、优化以及应用提供了参考依据. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感 数值模拟     

光纤布拉格光栅的应变传感实验的研究

针对光纤布拉格光栅的应变特性进行了实验研究,利用计算机采集和处理数据.实验结果表明,Bragg波长随纵向应变的变化呈现出良好的线性,与理论分析结果一致;光栅的涂敷材料不会改变它的线性,但会引起光栅的应变灵敏度变化.     

一种新型双参量光纤布喇格光栅传感器的研制

介绍了一种新型的具有双参量测量功能的光纤布喇格光栅传感器.该传感器采用了特殊的结构,安装了两个不同中心波长的光纤布喇格光栅,可以实现两曲面之间狭小间隙的微小位移和温度的同时测量.实验表明,该传感器结构紧凑、体积小,具有良好的重复性和稳定性,位移测量误差不超过±10 μm,温度测量误差不超过±2℃.     

基于阵列波导光纤温度特性的分布式光纤布喇格光栅解调法

设计了一种使用阵列波导光栅对分布式光纤布喇格光栅中心波长较大范围变化的解调方法.根据阵列波导光栅各通道的中心波长可随温度变化而改变的特性,通过控制软件循环地在几分钟内使加在阵列波导光栅的芯片温度从30℃线性增加到90℃,同时用微机高速采集各通道的数据并分别找出各通道数据的最大值时刻所对应的阵列波导光栅芯片温度,从而根据其波长-温度关系在微机上报告此时各光纤布喇格光栅的中心波长.实验结果表明,系统有效地解决了分布式解调的问题,微机以小于10min的周期报告出每通道0.6nm范围变化的光纤布喇格光栅中心波长(共40个通道),测量相对误差小于2%.     

光纤光栅温度传感理论与实验

从光纤光栅温度传感模型出发，理论分析研究了光纤光栅的温度传感特性，推导了光纤光栅温度传感的一阶、二阶和有效线性灵敏度系数的解析式，计算了各灵敏度系数的理论值，实验得到了反射波长与温度的二次多项式，对比分析了理论与实验结果，讨论了石英的力学参数对光纤光栅温度传感特性的影响、反射波长与温度的线性及非线性的适用范围等问题. 关键词： 光纤光栅 光纤传感 温度传感     

基于阵列波导光纤温度特性的分布式光纤布喇格光栅解调法

设计了一种使用阵列波导光栅对分布式光纤布喇格光栅中心波长较大范围变化的解调方法.根据阵列波导光栅各通道的中心波长可随温度变化而改变的特性,通过控制软件循环地在几分钟内使加在阵列波导光栅的芯片温度从30℃线性增加到90℃,同时用微机高速采集各通道的数据并分别找出各通道数据的最大值时刻所对应的阵列波导光栅芯片温度,从而根据其波长-温度关系在微机上报告此时各光纤布喇格光栅的中心波长.实验结果表明,系统有效地解决了分布式解调的问题, 微机以小于10 min的周期报告出每通道0.6 nm范围变化的光纤布喇格光栅中心波长(共40个通道),测量相对误差小于2%.     

基于焦耳热的光纤布喇格光栅电压传感器研究

设计了一种基于焦耳热的新型光纤布喇格光栅电压传感器以用于小电压的精确监测.实验中通过真空蒸镀法在光栅周围镀上一层金属镍,并将光栅密闭封装在充满气凝胶的铜管中.电压传感通过所镀金属镍层在通电过程中产生的焦耳热引起栅区温度升高,导致光纤光栅反射谱中心波长漂移,从而实现电压与光纤光栅中心波长漂移量的变换.实验表明,封装后的直流电压灵敏度达到520pm/V2,并可用于较低频率的交流传感,且系统结构简单、精度高、易于实现.     

镀镍光纤Bragg光栅温度传感特性实验研究

在光纤智能金属结构材料中,为了保护光纤Bragg光栅并使得传感器与基体金属有很好的结合性,在光纤Bragg光栅表面化学镀镍,并实验研究了化学镀镍前后的光纤Bragg光栅的温度传感特性.实验表明：镀镍后的光纤光栅的Bragg波长随温度变化呈现出良好的线性和重复性,Bragg光栅温度灵敏度变大.     

光纤光栅温度传感的非线性现象

对光纤光栅温度传感反射波长相对漂移量与温度改变量的非线性问题进行了详细研究.通过对实验曲线的多项式拟合,求出了光纤光栅反射中心波长相对漂移量Δλ_C/λ_C与温度改变量ΔT的解析式,用对比法得到了温度灵敏度系数η表达式.取样计算表明:多项式能更好地反映Δλ_C/λ_C与ΔT的关系,证明了温度灵敏度系数η不是常量,而是随温度增加缓慢增大.     

光纤光栅的双向温度/波长调谐技术研究

为了对光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG) 的中心反射波长进行双向调谐,提出了采用半导体致冷器、热敏电阻配合控制电路对FBG的工作温度进行双向精确控制实现温度/波长调谐的方法,讨论了温度/波长调谐的实现技术,并研制了FBG双向温度调谐器样品.在0℃、20℃、40℃环境温度条件下对调谐器进行了范围为－20℃~60℃、步进为10℃的温度扫描测试.实验结果表明：FBG调谐器的中心反射波长与设定的温度有较好的线性关系,除波长外其它光栅特性基本不随调谐温度改变;调谐装置准确度优于0.05 nm,且受环境温度变化的影响较小.     

光纤Bragg光栅应变测量中啁啾特性的研究

用光纤Bragg光栅进行应变（静态、动态）测量时,由于光栅轴向各部分受到的应变不同,因而产生布喇格中心波长漂移量发生变化.实际测量中往往忽略此扰动对光纤光栅反射谱中心波长的影响,则必然带来测量误差.采用耦合模理论,分析并研究了Bragg光栅受轴向线性应变、高次应变和非线性周期应变波等情况下的啁啾特性.根据各自啁啾特性的不同,给出了对光纤光栅反射谱中心的影响,以及测量各种应变时的测量条件和范围.     

基于光纤布拉格光栅的浇注炸药固化温度监测

首次采用光纤Bragg光栅实时测量浇注炸药在固化成型过程中固化剂与粘结剂的反应放热量。为了实时、准确的测量出浇注炸药在固化过程中的温度值,设计了基于光纤布拉格光栅的组网式温度监测系统。鉴于炸药成分的危险性、以及浇注炸药固化过程时间长、对条件要求恒温的特殊性,直接的实时监测一直未找到合适的测量方法。近年来,光纤布拉格光栅由于其优越的特点,在通信和传感领域得到广泛应用。利用光纤光栅与温度之间的线性关系,将采集的光栅反射波长值换算为温度实时显示。通过波分复用技术在两根光纤上写入7个光栅点同时测量,多点分布式测量可以将炸药内部温度的分布趋势显示出来。封装的光栅传感器采用90°弯曲设计,不仅改进了传感器与跳线的连接,同时有利于装入烘箱内。Origin软件将txt数据绘制成曲线图形式,将固化过程温度的变化直观明了的显示出来。结果表明,该方法操作简单,精确度高,满足炸药固化过程中对温度的测试需求。     

熊猫型保偏光纤光栅温度和压力传感特性的实验研究

对熊猫型保偏光纤光栅的传感特性进行了深入的实验研究,采用温箱和压力罐分别进行了温度和压力传感特性的实验研究.实验结果表明:在0～2.5 MPa的压强范围内,熊猫型保偏光纤光栅两个偏振方向上的压力敏感系数分别为0.004 88 nm/MPa和0.003 52 nm/MPa;在15～50 ℃的温度范围内,两个偏振方向上的温度敏感系数为0.01018 nm/℃和0.008 8 nm/℃.该光纤光栅两偏振态对温度和压力的不同敏感特性可用于解决光纤光栅的交叉敏感问题.     

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.     

高温退火程式对光纤布拉格光栅热重生性能影响研究

光纤布拉格光栅（FBG）是一种广泛应用于光纤通信和传感领域的关键器件,具有灵敏度高、体积小及抗电磁干扰等诸多优点,但长时间工作在高温环境下其光栅特性会逐渐衰退甚至完全擦除,极大地限制了FBG在工业生产、石油电力、航空航天等一些特殊领域的应用。通过高温退火处理有望使FBG在高温擦除后重新生长出能在高温环境下稳定工作的热重生FBG（RFBG）。因此,研究高温退火程式对RFBG性能的影响具有重要意义。基于248 nm准分子激光器,以相位掩模法制作得到反射光谱中心波长为1 548.5 nm、反射率为97.8%、3 dB带宽为0.36 nm的初始FBG,再利用高温管式炉对初始FBG进行高温退火处理,发现FBG在950 ℃时实现热重生,得到反射光谱中心波长为1 546.7 nm、反射率为50.6%、3 dB带宽为0.19 nm的RFBG;进一步研究发现,在950 ℃实现高温热重生后退火程式对RFBG性能有很大影响,对RFBG采用急速冷却、缓慢冷却和自然冷却以及氩气气氛下自然冷却4种方式进行退火处理并与初始光栅进行对比,结果发现采用急速冷却方式处理的RFBG机械性能最佳,其保留了初始光栅约 50%的机械强度,优于缓慢冷却、自然冷却处理仅分别保留初始光栅22.2%和29.9%机械强度的RFBG,并发现在氩气中进行退火处理有利于RFBG机械强度的提升,同样是自然冷却,在氩气气氛中退火得到的RFBG保留了初始光栅43%的机械强度。进一步对采用急速冷却方式处理的RFBG进行热循环、热稳定性等测试。结果表明,RFBG在150~1 050 ℃内三次加热循环结果完全重叠,温度灵敏度为16.30 pm·℃-1,温度灵敏度相关系数R2为0.995 38,且在800 ℃温度下进行热稳定性测试7 h,波长总漂移量仅为0.08 nm,表明所制备的RFBG具备良好的测温性能和稳定性。该研究工作为RFBG高温传感器的实用化和工程化应用提供了一定的理论与实验依据。     

光纤光栅大电流传感研究

利用电磁力的原理,提出了一种测量高压大电流的方法,将高压大电流母线缠绕成单匝或双匝螺线管,产生吸引力,使光纤光栅产生应变以此来测量大电流.通过实验使用多匝螺线管和小电流进行了模拟大电流测量.模拟实验结果表明,光纤光栅波长对电流大小的灵敏性逐步增强,特别适合于大电流的测量.     

一种新颖封装的耐高温光纤Bragg光栅温度传感器

分析了光纤Bragg光栅的传感原理,将光纤光栅置于细钢管通过一种耐高温胶粘结细钢管两端使光纤光栅在高温下不脱落,并通过细钢管上的中间螺纹给光纤光栅施加预应力,使光纤光栅在温度变化过程中一直保持张紧状态,保证传感器有很好的重复性和良好的线性.实验结果表明:该FBG光纤光栅温度传感器灵敏度为0.0252 nm/℃,有良好的重复性和线性,温度测量范围达200℃以上,可应用在高温环境测量温度的变化.