基于长周期光纤光栅折射率敏感特性的混凝土结构钢筋锈蚀监测

研究了长周期光纤光栅(LPFG)谐振透射光谱对外界环境折射率变化的敏感特性,在此基础上提出了将混凝土内部钢筋周围环境折射率与LPFG光谱特性相结合的理论,设计了一种基于折射率测量的LPFG钢筋锈蚀监测传感器.采用LPFG透射光谱枪测技术,获取钢筋锈蚀过程中混凝土内部不同折射率环境所对应的LPFG透射光谱曲线族,进而得到...     

双长周期光栅调制的光纤光栅光谱分析及其在智能结构监测中的应用

提出一种双长周期光栅(LPFG)调制光纤Bragg光栅(FBG)传感器光谱的方法。双LPFG是由两个中心波长一致的LPFG构成,FBG反射光谱位于双LPFG透射光谱的线性范围内。在对FBG及双LPFG光谱分析的基础上,利用双LPFG的带阻滤波特性,获得FBG反射光经双LPFG调制后的出射光谱并进行分析。将FBG粘贴于钢梁表面,当钢梁产生弯曲应变时,FBG光谱的中心波长发生偏移,经双LPFG调制的FBG光谱的峰值随之变化,引起双LPFG出射光强的变化。采用光电探测器监测经双LPFG调制后FBG的输出光强,得滤波后光强与FBG中心波长变化成线性关系,可探测的材料(钢梁)最小应变为1.05 με。将该方案应用于光纤智能结构冲击监测中,采用摆锤冲击法对四边固支碳纤维板(CFP)试件进行冲击,利用FBG测量板结构的冲击响应信号,系统采集到的动态信号时域波形及频谱与电涡流位移计的测量结果吻合得很好, 实验结果表明采用该调制、解调方案测量结构的冲击响应是可行的。研究结果为FBG在光纤智能结构动态监测领域提供了实验参考。     

基于长周期光纤光栅的FBG解调方法北大核心CSCD

研究了基于长周期光纤光栅(long-period fiber gratings,LPFG)的光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratings,FBG)解调方法,该方法利用LPFG的透射谱作为边沿滤波器解调FBG,其解调性能主要取决于LPFG的透射光谱深度。详细分析了CO_(2)激光写制法对透射光谱的影响,制作了透射光谱深度为25 dB的LPFG,并采用该光栅搭建了FBG解调装置,将FBG粘贴于金属应变片表面,测试了其静态与动态响应特征。实验结果表明:该方法制作简单,成本低,具有较好的线性动态范围,可以实现较高灵敏度的FBG解调。     

一种双段多层长周期光纤光栅光谱特性研究

长周期光纤光栅(LPFG)传感器具有非常广泛的应用价值,而有效解决物理量交叉敏感问题是其实用化的关键。基于LPFG对包层外介质折射率和厚度的敏感性,提出一种双段多层折射率横向分布结构的新型LPFG传感器的设计,并利用耦合模理论和传输矩阵方法分析了镀膜材料折射率、膜层厚度和镀层长度对新型LPFG传感器光谱特性的影响。软件仿真结果证明,这种LPFG由于结构设计上的特殊性,将使LPFG的谐振峰发生分裂,即一个透射峰分裂为两个。由于两个分裂峰对应力和温度的灵敏度不同,利用该结构的LPFG作为传感器,可以实现温度、应力等物理量的同步测量,从而解决LPFG传感器的交叉敏感问题。     

涂有半导体气敏薄膜的长周期光纤光栅气敏传感特性理论分析

首先利用耦合模理论研究了长周期光纤光栅LPFG折射率敏感特性,数值计算了长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境介质折射率的关系。其次分析了半导体氧化物气敏膜光学特性机理,当气体与薄膜接触时,气体会使敏感膜的消光系数、吸收系数和相应的折射率发生变化。基于上述两点,提出可将气敏膜涂于光栅表面,利用气敏膜的折射率随环境气体成分和浓度变化而变化的特性,从而影响LPFG透射谱谐振波长的变化,通过检测波长的变化达到探测气体成分和浓度的目的。由于长周期光纤光栅对环境介质折射率的灵敏度高于光纤,且其传感信号属于波长调制,测量信号不受光强波动及光纤损耗的影响,因此其灵敏度比强度型光纤气体传感器高。     

基于长周期光纤光栅谐振光谱调制的氨氮降解监测研究

从长周期光纤光栅(LPFG)谐振透射光谱随外界环境折射率变化敏感特性的角度,详细研究了LPFG氨氮降解监测传感器的工作原理,分析了LPFG谐振峰波长与氨氮溶液浓度之间的对应关系.采用LPFG透射光谱检测技术,获得7种不同浓度氨氮溶液所对应的LPFG透射光谱曲线族,其谐振峰波长随溶液浓度的增大而逐渐向长波方向偏移,波长变化量从2.707 nm减至0.068 nm,且变化量与溶液浓度值呈良好的对应关系,其响应度为52.78 pm·mg-1·L.通过监测LPF-G光谱变化获取氨氮溶液的浓度,进而判断氨氮溶液的降解过程及程度.该方法对溶液直接进行监测,简单易行,测量及传导光路实现全光纤化,无需化学试剂标记,可实现对氨氮溶液降解过程的在线、精确及远距离遥测.     

基于长周期光纤光栅和保偏光纤Sagnac环光谱特性的温度与应变测量研究

提出并研制了一种结构简单、成本低廉的温度与应变同时测量系统,其结构是在保偏光纤Sagnac环内接入一个长周期光纤光栅(LPFG)。利用LPFG对保偏光纤Sagnac环的透射光谱进行调制,通过监测谐振峰波长和强度的变化,发现波长随温度和保偏光纤的应变变化,强度随LPFG的应变变化,因此可以实现温度与应变的区分测量,并且可判断出应变的施加位置。实验得到该系统的温度灵敏度为0.181 81 nm·℃-1,LPFG区的应变灵敏度为0.005 283 dB·με-1,保偏光纤Sagnac环区的应变灵敏度为0.015 72 nm·με-1。实验结果表明该方案可行,并具有一定的实用性。     

基于双峰谐振效应的镀金属长周期光纤光栅液体浓度传感器

利用长周期光纤光栅(LPFG)中的双峰谐振效应,结合表面等离子体共振(SPR)传感器的高灵敏度,提出了一种新型镀金属光纤光栅液体浓度传感器.采用双包层结构模型和耦合模理论,分析r镀金属长周期光纤光栅双峰效应的谐振特性,环境折射率的传感特性以及金属膜厚对双峰LPFG灵敏度的影响.实验上制作了具有双峰效应的镀银膜长周期光纤...     

基于PCF-LPG的差分算法实现对光纤传感器的噪音消除

为了有效消除光源抖动及系统不稳定因素给光纤传感器带来的噪音干扰,提高光纤传感器的准确度,本文提出了一种基于光子晶体光纤长周期光栅的差分算法.利用光子晶体光纤长周期光栅良好的温度稳定性及宽光谱滤波特性,同时监测位于光子晶体光纤长周期光栅透射谱正负斜率线性区域内的两个信号功率变化.这两个信号是经同一路径到监测设备的,包含光...     

长周期光纤光栅弯曲传感特性

基于耦合模理论和微扰近似,研究了长周期光纤光栅(LPFG)弯曲传感特性与弯曲曲率及光栅结构参数(光栅长度和栅格周期)之间的关系.当弯曲曲率增大到某一值时,一个透射峰分裂为两个,两个分裂峰的谐振波长与弯曲曲率的变化关系呈二次曲线关系,与栅格周期成反比变化,而与光栅长度基本无关.利用B-Ge共掺单模光纤制作的LPFG证实了理论的正确性,且具有很好的重复性.     

光纤光栅腐蚀传感器

提出了一种测量钢筋腐蚀的新型传感器.这种传感器将光纤光栅拉伸后固定在圆形钢筋的表面,在钢筋被腐蚀后,光纤光栅所受到的拉伸应变将被释放,光纤光栅的反射光波长发生变化,通过测量光纤光栅的波长就可以测得钢筋腐蚀程度.这种传感器测量准确度优于±0.1 μm,测量范围约12 μm,可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测.     

基于长周期光纤光栅的新型地震检波器

基于长周期光纤光栅能透射特定波长的性质,以及其无后向反射的优点,提出一种新型的长周期光纤光栅地震检波器系统。以长周期光纤光栅相位匹配条件为基础,逐步推导出长周期光纤光栅地震检波器的灵敏度公式。建立长周期光纤光栅地震检波器的力学模型,并推导出检波器系统的传递函数。通过实例仿真得到该长周期光纤光栅地震检波系统的幅频特性图,从而证明了长周期光纤光栅用于地震检波器的可行性。通过调整光纤长度、质量块质量、阻尼系数等参数而得到适合的频率特性和灵敏度,为将来提高该系统的性能指明了研究方向。     

Hybrid FBG–LPG sensor for surrounding refractive index and temperature simultaneous discrimination

In this work, we propose a configuration of a hybrid fiber Bragg grating together with a long period grating sensor used for simultaneously detect surrounding refractive index and temperature to be applied in aqueous environment and to reveal pollution. We present the simulation of such sensor and analyze the reflected wavelength and amplitude variations of the fiber Bragg grating spectrum to obtain the temperature and the external refractive index variations, respectively. The results show that the fiber Bragg grating reflected amplitude change depends on the variation of the long period grating transmission spectrum with the surrounding refractive index modification and the reflected wavelength shift depends on the temperature of the aqueous solution.     

新型波长解调技术在干涉型光纤传感器输出解调中的应用

提出了一种改进型边缘滤波波长解调技术,解决干涉型或谐振型光纤传感器输出的干涉谱波长的快速解调问题。该波长解调技术基于啁啾光栅和长周期光栅的光谱特点,以啁啾光栅作为矩形滤波器,提取传感器输出干涉谱的一个干涉峰;以长周期作为边缘滤波器,将干涉峰的波长信息转化为光强信息进行检测。该波长解调技术波长解调范围为传感器输出干涉谱的一个自由光谱范围(FSR),解调速度快,克服了当前波长解调技术中存在的测量范围与测量速度难以同时提高的问题,同时还具有系统成本低 ,体积小,能够灵活多路扩展的特点。详细介绍了解调系统的工作原理以及系统结构,并将其实际应用于一种干涉型光纤电流传感器输出干涉谱的波长解调中。通过实验证明电流传感器工作在工频及脉冲电流(脉冲宽度25 μs)情况下,该解调系统对传感器输出干涉谱具有准确、快速的解调效果。该研究对推进干涉或谐振型光纤传感器的实际工程化水平的提高具有重要意义。     

基于光谱特征分析的光纤光栅腐蚀传感器研究

针对航空航天领域铝合金结构服役过程腐蚀监测需求,提出了一种基于铝质细管结构的预载荷型光纤光栅腐蚀传感器。给出了铝合金结构腐蚀在役监测机理,得到光纤光栅反射光谱特征与铝质细管厚度变化之间的理论关系模型,构建了酸碱环境下的光纤光栅腐蚀监测试验系统。通过在细管内部配置不受力且仅感受温度变化的光纤光栅传感器,解决了被测目标的温度与应力交叉敏感问题。研究表明,这种铝质细管封装设计不仅可以感受腐蚀对其力学性能的影响,还能够屏蔽外界腐蚀因素对管内光纤感知器件的干扰。随着金属管腐蚀程度加深,其管壁逐渐变薄,光纤光栅反射光谱逐渐向短波长方向偏移,且管壁厚度变化与光栅中心波长偏移量之间呈较好单调关系。这些特性能够为进一步开展基于光纤感知器件的机械结构在役腐蚀监测研究提供有益帮助。     

Bend Sensing with Temperature-insensitive Long-period Fiber Grating

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｌｏｎｇ ｐｅｒｉｏｄｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇｓ (ＬＰＧｓ )ｒｅｃｅｎｔｌｙａｔｔｒａｃｔｅｄｍｕｃｈａｔｔｅｎｔｉｏｎｆｏｒｕｓｅｉｎｏｐｔｉｃａｌｓｅｎｓｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[1,2 ] .Ｔｈｅｙａｒｅｕｓｅｄａｓｓｅｎｓｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ,ｓｔｒａｉｎａｎｄｂｅｎｄｉｎｇｏｆｆｉｂｅｒ .Ｈｏｗｅｖｅｒ ,ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｃｒｏｓｓｔａｌｋｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅａｓｕｒａｎｄｓ,ｅｓｐｅｃ…     

基于氧化石墨烯的长周期光纤光栅的全光控制

实验验证了一种通过将氧化石墨烯分散液沉积在长周期光纤光栅的全光控制的相关研究。通过外加的垂直泵浦光的作用,氧化石墨烯吸收泵浦光产生热量,改变长周期光纤光栅的包层模式的相位差,由于热膨胀的作用改变了氧化石墨烯所覆盖部分的光栅周期,使得谐振谱发生了移动,其最大调制深度可达10.6 dB,谐振谱最大可红移12.8 nm。通过实验发现,沉积相同浓度氧化石墨烯分散液的次数影响实验结果,通过在相同光栅的相同位置分别沉积三次,发现沉积三次可以在光纤表面获得更加均匀的氧化石墨烯膜,进行了时间响应的测试,其中沉积三次后的长周期光纤光栅的响应速度可达0.61 ms,沉积多次氧化石墨烯分散液可以在光纤表面沉积得更加平整均匀,从而获得更大的导热性能。     

Tilted fiber Bragg grating sensors

Optical fiber gratings have developed into a mature technology with a wide range of applications in various areas, including physical sensing for temperature, strain, acoustic waves and pressure. All of these applications rely on the perturbation of the period or refractive index of a grating inscribed in the fiber core as a transducing mechanism between a quantity to be measured and the optical spectral response of the fiber grating. This paper presents a relatively recent variant of the fiber grating concept, whereby a small tilt of the grating fringes causes coupling of the optical power from the core mode into a multitude of cladding modes, each with its own wavevector and mode field shape. The main consequence of doing so is that the differential response of the modes can then be used to multiply the sensing modalities available for a single fiber grating and also to increase the sensor resolution by taking advantage of the large amount of data available. In particular, the temperature cross‐sensitivity and power source fluctuation noise inherent in all fiber grating designs can be completely eliminated by referencing all the spectral measurements to the wavelength and power level of the core mode back‐reflection. The mode resonances have a quality factor of 10⁵, and they can be observed in reflection or transmission. A thorough review of experimental and theoretical results will show that tilted fiber Bragg gratings can be used for high resolution refractometry, surface plasmon resonance applications, and multiparameter physical sensing (strain, vibration, curvature, and temperature).