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。     

高灵敏度多模干涉-异质无芯光纤折射率传感器

基于多模干涉理论和自映像效应,设计了一种高灵敏度多模干涉-异质无芯(SNS)光纤折射率传感器。利用纤芯失配在包层激发的高阶模与无芯光纤中产生的基模耦合产生多模干涉来实现其对折射率的传感测量。应用波束传播法(BPM)数值模拟了传感器在不同折射率条件下光的透射谱,讨论了无芯光纤的长度及外部环境折射率等参数对传感器性能的影响。通过无芯光纤SNS结构传感器的样品制备,测试了多组不同浓度蔗糖溶液下的透射谱,实验结果与数值模拟结果一致。结果表明:在折射率1.330~1.419范围内,透射谷的波长灵敏度达到189nm/RIU,透射率灵敏度达到-40%/RIU。     

基于拉锥单模-多模-单模光纤结构的高灵敏折射率传感器

文章介绍基于拉锥单模-多模-单模(SMS)光纤结构的模间干涉仪,当拉伸长度为35mm时形成自由光谱区(FSR)为1.3nm的干涉透射谱,消光比达到10dB。此时拉锥多模光纤的腰椎平坦区直径约为3.85μm,具有较强的倏逝场,可用作高灵敏折射率传感器。实验证明,此拉锥SMS结构在折射率范围1.35-1.36内的灵敏度高达771nm/RIU,能精密监测溶液溶质扩散现象。     

三向光纤布拉格光栅应变传感器的设计及应变特性

针对多向应变测量问题,采用凸台和圆环状基片结构设计了一种三向光纤布拉格光栅（FBG）应变传感器,实现了对结构三个方向应变的同步测量。通过振动试验台和不锈钢板进行了同电阻应变片的静态对比实验和振动监测实验。结果表明,FBG应变传感器和应变片在三个方向的静态应变曲线基本一致,相关系数分别为0.98、0.98和0.99。振动功率谱分析结果表明,FBG应变传感器和应变片均观察到了一次谐波和二次谐波,频率误差分别为2.77%和0.97%,且应变片还监测到了高次谐波信号。该传感器具有结构简单、尺寸小、测量精度高、定位准确等优点,在多向应变监测领域具有良好的应用前景。     

基于单模-无芯-单模结构的光纤折射率传感器

提出了一种基于光纤单模-无芯-单模结构的光纤 折射率传感器。当外界折射率(SRI,surrounding refractive index)小于无芯光纤(NCF,no-core fiber)折射率,并且二者十分接 近的情况下,NCF 可以看作是具有阶跃折射率分布的弱导多模光纤(MMF),这样便构成了传统的单模-多模- 单模(SMS,single-mode multimode single-mode)光纤结构。利用线偏振模近似的方法理论分析了基于这种光 纤结构的折射 率传感器的模式激发特性以及输出特性,进而进行了相应的数值仿真及实验验证,结果表明 ,数值仿真与实验 结果均与理论分析结果相一致。在1.3～1.4的折射率范围内,实验测得传感器灵敏度达到 205.42nm/RIU。     

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。     

一种新颖的高灵敏度光纤光栅压力传感器

提出一种双波纹管结构封装的高灵敏度光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器,从理论分析了该器件的传感机理。研究结果表明,该FBG压力传感器可实现0～1.2 KPa压力测量,灵敏度达到688.2 pm/kPa,线性拟合度达到0.9973,适用于液位小范围变化的高精度检测。     

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.     

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。     

光纤布拉格光栅温度和应变交叉灵敏度的实验研究

测量了光纤布拉格光栅(FBG)在-150～550℃范围内中心反射波长对应变的依赖关系,得到了光栅的温度和应变交叉灵敏度系数。结果表明,不论是在低温环境还是高温环境,当光纤所受张力小于6000με时,波长变化与应变大小呈线性关系;光栅的应变灵敏度系数和交叉灵敏度系数是温度的函数,温度越低,应变灵敏度系数越大,交叉影响越显著。     

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。     

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.     

光纤光栅传感器温度与轴向应变灵敏度的研究

文章对Bragg光纤光栅(FBG)与长周期光纤光栅(LPFG)的温度、应变传感灵敏度进行了详细的理论推导和分析，得出了一些重要推论，对光纤光栅在传感器领域中的应用具有一定的引导作用．     

应力增敏的光纤布拉格光栅压强传感器

提高光纤布拉格 (Bragg)光栅传感器响应灵敏度是提高光纤布拉格光栅传感系统检测精度的有效途径之一。基于弹性聚合物材料封装和金属波纹管封装对光纤布拉格光栅应力响应的增敏作用 ,提出了一种新颖的应力响应增敏的高灵敏度光纤布拉格光栅压强传感器模型。推导了该传感器的压强与布拉格波长相对偏移量之间的关系 ,给出了该传感器压强响应灵敏度系数的解析表达式。表明该传感器布拉格波长相对偏移量和压强之间具有良好的线性关系 ,同时也指出通过适当选择弹性体的弹性模量、波纹管弹性系数等特性参数 ,以及它们的尺寸 ,就可以方便地调整该传感器的压强响应灵敏度系数。该传感器压强响应灵敏度系数实验值高达 - 4 35× 10 -9Pa-1( -6 74nm/MPa) ,是裸光纤光栅压强响应灵敏度系数的 2 197倍 ,理论值为 - 4 6× 10 -9Pa-1,实验值与理论值吻合得很好     

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。     

一种钛合金基片封装的光纤光栅应变传感器

为了提高光纤光栅应变传感器的应变响应灵敏度,提出了一种基于钛合金基片封装的光纤光栅应变传感器.根据材料弹性模量的相关理论,该封装采用钛合金（TC4）作为封装材料;根据力学传递原理,该封装采用类似杠铃状的结构设计.这种封装能够使应变有效地传递到传感器内的光纤光栅上,从而很好地测量应变.通过实验得到其应变响应灵敏度、反射波长与应变的相关系数.实验证明,采用这种封装设计的传感器能够获得较高的应变灵敏度,其反射波长和应变具有很好的相关性.