结构健康监测用光纤布拉格光栅应变传感器研究

采用不锈钢管对光纤布拉格光栅（FBG）进行封装并对其进行标定，粘贴在钢桁架表面测量结构的应变，封装光纤光栅显示了良好的传感性能，与电阻应变片测量结果吻合良好。封装后的光纤布拉格光栅传感器操作容易，便于安装，为建立工程结构健康监测系统奠定了基础。     

光纤布拉格光栅加速度传感器研究进展

基于光纤光栅原理的加速度传感器是近年来土木、机电和航空航天等领域研究的热点。简要介绍了基于光纤布拉格光栅(FBG)的加速度传感器的基本工作原理及力学模型,重点阐述了国内外基于光纤光栅的不同结构原理的加速度传感器最新研究进展。按工作频率范围的高低,先后介绍了用于低频和高频测量的加速度传感器的开发研究现状,并介绍了用于多维加速度方向测量的光纤光栅传感器的发展现状,最后对光纤光栅加速度传感器的发展作进一步展望。     

双光纤布拉格光栅电流传感器

两电流产生的电磁力使等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布拉格光栅的布拉格波长漂移.通过检测两个布拉格光栅的波长漂移差,得到被测电流.双光纤布拉格光栅通过补偿温度效应,解决了光纤布拉格光栅传感器的交叉敏感问题.垂直放置的等腰三角形悬臂梁,确保光纤光栅在传感过程中不出现啁啾现象,又避免了自身重量和导线重量对测量结果的影响,从而减少了测量误差.该系统传感灵敏度为0.097nm/A,与理论值的相对误差为3.38%,结果表明该传感器结构是可行的.     

光纤布拉格光栅横向应变特性的研究

根据耦合模理论，对光纤布拉格光栅(FBG)的横向应变特性进行了深入研究，并采用数值分析方法对光纤布拉格光栅在平面应变和应力情况下进行了模拟分析：对于平面应变情况，一个谐振峰向波长增大的方向移动，而另一个谐振峰向波长减小的方向轻微移动；对于平面应力情况，两个谐振峰都向波长增大的方向移动。设计了相应的实验进行验证，实验结果与理论分析相符；该实验结果表明光纤布拉格光栅的横向应变情况介于平面应力和平面应变之间，而且更接近平面应力情况。根据理论分析，横向应变与纵向应变对波长漂移的贡献不一样，从而使三维应变测量成为可能。     

光纤布拉格光栅传感器实现应力测量的最新进展

本文阐述了光纤布拉格光栅的特性及其在智能结构中的重要应用。针对这一应用 ,首先简要介绍了光纤布拉格光栅测量应力的原理 ,然后着重介绍了光纤布拉格光栅测量应力的最新进展。这些新的方法分别使光纤布拉格光栅在测量范围、测量精度、多路复用及实用性方面得到了提高或改进。光纤布拉格光栅要达到实际应用仍需对其作进一步的研究 ,以提高其工作寿命 ,找到简便易行的埋入方法 ,并实现信号的高精度、大动态范围的检测等。     

光纤布拉格光栅应变传感器的灵敏性及疲劳可靠性研究

分别采用金属和聚合物材料研究了封装材料对布拉格光纤光栅(FBG)传感器灵敏性的影响，并通过加速疲劳实验对传感器安装工艺的疲劳可靠性进行了研究。结果表明：焊接安装的金属封装FBG应变传感器具有良好的灵敏性及其长期稳定性，是海洋结构、桥梁等动载环境下工作的结构长期安全监测的理想器件。     

基于双光纤布拉格光栅的流速传感器

设计了一种基于双光纤布拉格光栅的新型流速传感器,它包括双光纤光栅压强传感机构和文丘里管.导出了双光纤布拉格光栅的波长漂移差与流速的关系.压强传感机构中的密闭铝箔管横截面两边的压力差导致等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布拉格光栅的布拉格波长漂移.通过检测两个布拉格光栅的波长漂移差,得到被测流体的流速.双光纤布拉格光栅通过补偿温度效应,解决了光纤布拉格光栅传感器的交叉敏感问题.该流速传感器的动态测量范围为8～200mm/s.实验表明,双光纤布拉格光栅的中心波长随流速的增加分别向长波和短波方向漂移,而带宽几乎不变,实验和理论符合得较好,该设计方案是切实可行的.

Abstract：

By using the fiber grating pressure sensing setup and Venturi tube,a novel flow velocity sensor based on double fiber Bragg gratings (FBGs) is proposed.The relationship between the flow velocity and the wavelength shift difference is derived.The pressure difference of the two sides of the cross section of the aluminum foil tube in the pressure sensing setup results in the distortion of an isosceles triangle cantilever structure.And the distortion results in the Bragg wavelength shift of the FBGs mounted at either side of the cantilever.By monitoring the wavelength shift difference of the two FBGs,the flow velocity can be obtained.The cross sensitive problem can be solved by compensating the temperature effect.Experimental results are in good agreement with theoretical analysis.The central wavelength of two FBGs shifts to the shorter and longer wavelength respectively with the rise of the flow velocity,while the bandwidth is almost unchanged.The experimental results verify the feasibility of the proposed sensor with a measurement range of 8~200 mm/s.     

双光纤布拉格光栅磁场传感器

载流导线在磁场中产生的电磁力使等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布拉格光栅(FBG)的布拉格波长漂移.通过检测2个FBG的波长漂移差,得到被测磁场的磁感应强度.双FBG通过补偿温度效应,解决了FBG传感器的交叉敏感问题.垂直放置的等腰三角形悬臂梁,确保FBG在传感过程中不出现啁啾现象,又避免了自身重量和导线重量对测量结果的影响,从而减少了测量误差.该系统传感灵敏度为1.11 nm/T,与理论值的相对误差为4.31%,结果表明,该传感器结构是可行的.     

光纤布拉格光栅加速度传感器研究进展北大核心CSCD

基于光纤光栅原理的加速度传感器是近年来土木、机电和航空航天等领域研究的热点。简要介绍了基于光纤布拉格光栅(FBG)的加速度传感器的基本工作原理及力学模型,重点阐述了国内外基于光纤光栅的不同结构原理的加速度传感器最新研究进展。按工作频率范围的高低,先后介绍了用于低频和高频测量的加速度传感器的开发研究现状,并介绍了用于多维加速度方向测量的光纤光栅传感器的发展现状,最后对光纤光栅加速度传感器的发展作进一步展望。     

啁啾光纤布拉格光栅电流传感器

为了测量通电螺线管中的电流,设计了一种基于 光纤布拉格光栅(FBG)啁啾效应的电流传感器。磁场 中的圆盘形软铁受到通电螺旋管线圈磁场力的作用,引起矩形悬臂梁变形,从而导致粘贴在 悬臂梁侧边的 FBG的反射光谱带宽发生变化,其大小与电流强度成平方关系。利用光谱分析仪(OSA) ,通过检测FBG反射谱带宽的变化量,可以得到被测电流强度的大小。当OSA的分辨率为0.02nm时, 测量范围达到了27.1~1000mA。实验结果表明 ,FBG反射光谱带宽的变化量对温度变化不敏感, 当温度从－15℃变化到45℃时,3dB带宽的 最大变化约为5pm。实验结果和理论分析一致,表明本文该方案切实可行。     

光纤布拉格光栅振动传感器的研究进展

随着光纤传感技术的不断发展,光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)振动传感器在实际应用中的复杂振动测量性能愈发优良可靠。基于FBG振动传感器的优势,简略地阐述了FBG振动传感器的工作原理,并介绍了近5年国内研发的部分悬臂梁型、膜片型、铰链型三种结构的优缺点。最后针对FBG振动传感器提出了4个方面的建议,并展望了FBG振动传感器的发展方向。     

光纤布拉格光栅传感器解调系统

光纤布拉格光栅传感器的核心技术在于波长解调,这也是这种器件能否实用化的关键;本文分析了光纤布拉格光栅作为传感器的独特优势,给出了光纤布拉格光栅传感的基本原理;对近几年来国内外研究工作者所用到的波长解调方法如匹配解调法、可调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的介绍,阐述了相应的系统设计方案,并对各种方法的优、缺点进行了分析和访论;叙述了光纤光栅传感器在桥梁、大坝等大型建筑结构健康检测方面应用的实例。最后访论了光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题,并展望了光纤光栅传感器的前景。     

基于啁啾光纤布拉格光栅的流速传感器

设计了一种基于啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)的新型 流速传感器,包括CFBG压强传 感机构和文丘里管。压强传感机构中,密闭铝箔管横截面两边的压力差导致矩形悬臂梁变 形,从而引起粘贴在悬臂梁侧边的CFBG的反射光谱带宽发生变化。通过 检测其带宽,得到被测流体的速度。实验表明,CFBG反射光谱带宽对温度不敏 感,流速传感器的动态测量范围为8~100mm/s,设计方案是切实可行 的。     

基片式光纤布拉格光栅传感器应变传递分析

光纤布拉格光栅(FBG)传感器在实际工程应用中通 常是埋在基体中或粘贴于基体表面,由于光纤、保护层和粘贴 层以及基体材料的物理力学性能不同,FBG传感器的测量应变不等于基体结构的实际 应变,因此需要对 所测的应变进行修正。本文以基片式FBG传感器作为研究对象,建立了“基体结构 －胶体－基片－胶 体－FBG传感器”的应变传递模型,推导出基片式FBG传感器测量应变与基体 结构实际应变之间 的应变传递计算公式,并通过有限元分析和实验验证,结果表明理论推导的正确 性,得到的应变传递公式可应用于实际工程。     

光纤布拉格光栅压力传感器的研究

文章介绍一种光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器,将FBG粘贴在自行设计的开口环有机玻璃上,构成了FBG传感器,给出了FBG的波长偏移量与压力的关系表达式.实验结果表明, 该传感器在所测压力范围内呈现出很好的线性特性, FBG压力灵敏度系数达到0.162 nm/N,与理论分析值基本相符.     

浮空器柔性复合蒙皮形变光纤布拉格光栅传感器应变传递特性

为提高浮空器气囊蒙皮形变光纤布拉格光栅监测的应变传递效率,研究了柔性复合蒙皮光纤光栅应变传递特性。针对柔性复合蒙皮材料结构特征,建立了“光纤光栅—粘贴层—蒙皮结构”三层应变传递模型,推导出应变传递变化函数,通过解析方法和有限元方法对光纤光栅传感器各点应变传递率进行了计算,并分析了粘贴层及蒙皮结构相关参数对应变传递率的影响,得出表面粘贴式光纤光栅传感结构最佳封装参数。研究结果表明,对于传感器中部的应变传递效率,解析和数值方法计算误差小于5%,当粘贴层弹性模量为0.5 GPa、粘贴长度为40 mm、粘贴宽度为6 mm、上下粘贴层厚度分别为0.2 mm和0.1 mm时,光纤光栅应变传递模型封装参数优化后的应变传递率可达97.04%,可满足浮空器气囊形变监测的灵敏度要求。     

基于级联长周期光纤光栅的光纤布拉格光栅振动传感器的动态解调

提出一种基于级联长周期光纤光栅(CLPG)的光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器动态解调方法。宽带光源发出的光经FBG反射后,进入到CLPG,经过CLPG调制后FBG反射光强会发生变化。通过温度测量实验对监测系统进行静态标定,再将FBG传感器粘贴于铝板表面,采用该系统监测简支铝板结构在低频和高频下的振动信号。系统采集到的动态信号时域波形及频谱与涡电流位移计的测量结果相吻合,表明该监测系统可实现2kHz以下的动态信号测量。     

安装方位对光纤布拉格光栅应变测量的影响

光纤布拉格光栅(FBG)应变测量是基于光栅受到轴向应变作用时其波长将会发生相应变化。但在复杂应力状态下,由于横向效应的存在,光纤布拉格光栅的安装方位对光纤应变测量产生影响。通过理论推导和实验分析验证了安装方位对光纤应变测量的影响,并以单向应力状态为例,导出应变测量误差与光纤布拉格光栅安装方位的关系曲线:光纤的轴向与主应力的夹角60°附近,误差急剧增大,可使测量结果严重失真。为消除安装方位引起的误差,给出了复杂应力状态的应变测量修正公式。