利用双周期光纤光栅实现应变和温度同时测量

提出了一种新颖双周期光纤光栅传感器。在同一段氢载光纤上先后写入长周期光纤光栅、短周期布拉格光纤光栅 ,利用长周期光栅和布拉格光栅对应变和温度敏感性的差异 ,可实现应变和温度的同时测量。实验中采用这种灵敏结构的双周期光栅 ,在 0～ 170 0 με和 2 0℃～ 12 0℃范围内 ,测量精度可达到± 16 με和± 0 8℃。     

非轴向力下埋入式光纤传感器应变传递分析

利用剪滞法建立了当光纤光栅传感器的轴线和基体主应力的方向成一定角度时,光纤光栅传感器的测量应变与基体结构实际应变之间的关系,进而得出了光纤光栅传感器的平均应变传递率的一般公式。采用裸光纤光栅传感器进行实验,在倾斜角度α为30.72°时,实验所得的波长变化之比分别为:0.727,0.738,0.746;理论计算所得的波长变化之比为0.739,相对误差都在2%以内。同时分析了埋设角度偏差对测量结果的影响。研究结果表明,非轴向力作用下光纤光栅传感器的应变与结构基体应变之间的传递关系与其在轴向力作用下存在明显的区别,埋设角度的偏差会给测量结果造成一定的误差。     

埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

埋入式光纤光栅应变传感器作为大型土木结构健康监测的智能元件具有很好的发展前景。讨论了埋入式光纤光栅应变传感器的传感机理，设计了埋入式光纤光栅应变测量系统。从力学角度阐述了光栅传感探头的结构和制作工艺。采用可调谐F-P滤波器对光栅信号进行解调，解决了应变与温度交叉敏感问题。系统对应变的测量范围为0～1500με。通过理论分析证实了系统方案的可行性。     

Fiber Bragg grating sensor for petroleum hydrocarbon leak detection

A novel type of fiber optic Bragg grating sensor for petroleum hydrocarbon leak detection is presented. The sensor structure includes attached to the fiber a polymer member, which reversibly expands in hydrocarbon presence and strains the fiber section with the Bragg grating inside. A shift of the grating Bragg wavelength due to fiber strain is more than 2 nm for 20-min gasoline influence, which significantly exceeds a shift due to possible environmental temperature variation.     

A High Resolution Fiber Bragg Grating Resonator Strain Sensing System

A strain sensing system is demonstrated, consisting of a fiber Bragg grating resonator as the strain-sensing element. Signal encoding and decoding is achieved by a synthetic heterodyne technique. A strain accuracy of ±0.426 μεwas attained; a value comparable to that of the classical fiber Fabry Perot (FFP) sensor and higher than conventional Bragg grating strain sensing schemes. This sensing element does not suffer from fabrication problems like the FFP sensor and the interrogation problems of the conventional Bragg grating sensor.     

偏振光干涉法消除光纤光栅解调中的交叉敏感现象

提出一种偏振光干涉的光纤光栅应变测量方法,该方法能解决光纤光栅应变和温度测量时的交叉敏感问题。对于钒酸钇晶体偏振光干涉仪,如果选择两个能使干涉仪产生180°相位差的不同中心波长的光纤光栅,一个用于应变测量,一个用于补偿温度,就能很好地解决光纤光栅应变测量时的温度交叉敏感问题。分析了构成偏振光干涉仪的晶体的厚度对应变偏差的影响。理论计算和试验结果显示,当晶体厚度为0.5 mm时温度对应变测量的交叉敏感现象被压缩到了1.6%,相当于0.13με/℃。进一步的仿真分析发现当晶体厚度为0.1 mm时交叉敏感现象将被压缩到0.08%,相当于0.0067με/℃。小的晶体厚度有利于减小交叉敏感现象,但小厚度的晶体加工困难,为此分析了双晶体结构的方案。     

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。     

基于DSP的光纤光栅应变传感器信号检测实验研究

针对光纤光栅应变传感器接收信号弱且信噪比低这一问题,提出了应用DSP技术来抑制噪声,提高Bragg峰值波长检测精度的方法.实验结果表明所设计的498阶Kaiser窗低通FIR数字滤波器能够显著提高光纤光栅应变传感器的信号检测精度.采用DSP技术可以较好地解决光纤光栅传感器的波长解调这一技术难题.     

Optical fiber Bragg grating hydrogen sensor based on evanescent-field interaction with palladium thin-film transducer

Fiber Bragg grating (FBG) sensors in single-mode optical fibers are widely applied for measurement of temperature and strain. If exposing FBG sensors to an external analyte by planar side-polishing technique of the fiber, evanescent-field interaction yields a Bragg wavelength shift also by changing the refractive index of the analyte. Deposition of sensor-specific transducer layers on the side-polished fiber can specify this spectrally encoding and network-capable optochemical fiber Bragg grating refractometry to the monitoring of specific substances, absorbed gases and vapors. In this paper, the sensor principle is demonstrated for the example of a hydrogen gas sensor based on a palladium thin-film transducer. Hydrogen in 0.1–4% volume concentration range can be monitored by the spectral shift of the Bragg wavelength, which is caused by the decreasing complex refractive index of Pd with increasing absorption of hydrogen.     

基于反射光谱特征辨识的光纤气压与温度集成监测方法

针对飞行器机载环境多参量综合测试需求,研究了一种基于反射光谱特征辨识的光纤布拉格光栅(FBG)气压与温度集成监测方法,给出了基于膜片式结构的双参量传感机理及其理论模型。采用基于耦合模理论的OptiGrating软件,得到不同气压与温度条件下光纤布拉格光栅传感器仿真反射光谱。在此基础上,借助弹塑性和恢复性能优良的平膜片感压机构,构建了膜片式双光纤气压/温度集成监测模型。研究表明,恒温条件下应变传感光纤光栅反射光谱随气压增加而逐渐向短波方向偏移,其中心波长灵敏度约为0.803 0 nm·MPa-1,且反射谱主峰及其旁瓣峰值均随气压变化呈现良好线性关系;当气压恒定而温度变化时,处于仅感温不受力状态的温度传感光纤光栅反射光谱中心波长灵敏度约为9.39 pm·℃-1;当气压与温度交叉变化时,能够实现对变温条件下的微小气压变化实时监测。传感光纤光栅受非均匀应变效应反射光谱存在一定啁啾现象,其反射光谱旁瓣峰值波长随环境温度、气压变化均会发生偏移,具有良好线性关系,且在不同气压下反射光谱对应的同一阶数旁瓣峰值幅度相等。该研究能够为航空航天器系统多物理参量在线综合测试提供有益帮助。     

A Novel Fiber Bragg Grating with Triangular Spectrum and Its Application in Strain Sensor

A novel fiber Bragg grating with triangular spectrum is presented. A strain sensor based on this fiber grating is proposed. Experiments showed that the sensor has advantages of high sensitivity, wider measuring range and immunity to fluctuation of the light source power.     

一种监测钢筋腐蚀的光纤光栅传感器的研究

钢筋腐蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性劣化的最重要因素之一。钢筋腐蚀将导致钢筋体积大大增加,混凝土保护层开裂、剥落,结构承载力下降,甚至倒塌。基于光纤布拉格光栅应变传感器的原理,根据钢筋腐蚀体积膨胀,提出了一种新的钢筋腐蚀光纤光栅传感器及温度补偿方法。传感器构造是在两根紧靠的钢筋中心附近粘贴光纤光栅,由于钢筋腐蚀体积膨胀,钢筋直径增加将转变成布拉格光纤光栅的应变,从而实现对钢筋腐蚀程度及速率的监测。传感器的监测原理是设置一个钢筋腐蚀光纤光栅传感器来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变,同时单独设置一个不锈钢光纤光栅传感器来测量温度引起的光栅应变。这两个光纤光栅传感器的应变监测,可分离出钢筋由于腐蚀所引起的体积变化。在混凝土结构中埋入封装的传感器,通过监测光纤光栅波长的漂移可以直接测量钢筋腐蚀程度,而且不受腐蚀因素的影响,可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测。最后通过实验标定了钢筋腐蚀率与光栅波长位移的关系。     

极窄带宽的布拉格光纤光栅光谱特性研究

根据理想模展开下的耦合模方程，对光纤布拉格光栅的峰值反射率公式进行了数学推导，得到了布拉格光纤光栅的光谱反射率表达式。全面讨论了光栅周期、光纤栅长、光致折射率微扰最大值等参数与光纤光栅反射光谱的关系。仿真结果显示了固定参数下布拉格光栅的极限窄带宽，得到的反射率为1、带宽为0.02nm的窄带宽布拉格光栅，比现今分布式传感系统中使用的布拉格光栅的带宽窄1个数量级。这种布拉格光纤光栅用于分布式传感系统，可大大提高分布式传感系统中光源的带宽利用率，消除各信号间的相互串扰，提高传感光栅复用数目，降低解调系统成本。     

Distributed strain sensor based on dynamic grating in polarization-maintaining erbium-doped fiber

A novel distributed fiber-optic strain sensor based on dynamic grating in polarization-maintaining erbium-doped fiber (PM-EDF) is demonstrated experimentally. The dynamic grating is written with light beams polarized along one primary polarization axis of the PM-EDF, and read with a light beam polarized along the other primary polarization axis. When a strain is applied to the fiber, the detected Bragg reflection frequency of the dynamic grating shifts in proportion to the birefringence change, which is proportional to the strain. By employing the technique of synthesis of optical coherence function, the dynamic grating is localized in a region that can be shifted to sweep along the fiber to determine the location of the strain. In the experiment, a spatial resolution of 20 cm is demonstrated.     

基于FBG的液压系统中流量/压力/温度同时测量技术

针对传统液压系统检测中存在的传感器功能单一、体积较大、测量精度不高等问题,提出一种光纤光栅复合传感器.该传感器以一体化的靶片式流量传感结构为基础,融合光纤光栅压力和温度传感器,可以实现对液压系统流量、压力和温度的同时测量.在对各参数传感模型理论分析的基础上,对传感器的结构进行设计,并制作了传感器实物.利用液压综合试验系统等设备对传感器进行了性能测试和参数标定,得到其流量灵敏度为0.049L/s,压力灵敏度为28.4pm/Mpa,温度灵敏度为14.9pm/℃,验证了传感器设计的合理性.同时,传感器的温度测量功能可在流量和压力测量中作为参考,克服温度的交叉敏感效应,提高传感器的环境适应能力.     

基于侧边抛磨光纤的表面布拉格光栅温度传感器

为了实现在侧边抛磨光纤（SPF）上制作布拉格光栅结构并提高器件设计灵活性,利用重铬酸盐明胶（DCG）作为光刻材料,提出一种新型的光纤表面布拉格光栅制作方法并对该器件温度传感特性进行研究。使用轮式抛磨系统制作SPF,并在SPF侧抛面上旋涂DCG,通过干涉光束曝光显影制作表面布拉格光栅。光谱测量表明:带有布拉格光栅的侧边抛磨光纤在1 480.2 nm处有透射谷,在相应位置反射谱有明显反射峰,其调制幅度达到15.9 dB,这是由于表面光栅的布拉格反射所致。温度传感实验表明,该布拉格反射峰的温度灵敏度为17.84 pm/℃。这种器件已在光纤传感和光纤滤波器等方面获得应用。     

双套管式光纤Bragg光栅温度传感器

研制了一种双套管式光纤Bragg光栅温度传感器,以实现无外力作用的温度测量。其中外套管隔离外加应力应变,在内套管内松弛地放置光栅以隔离封装结构的表观热应变。引入引出尾纤穿过带孔螺栓,以探测多个串联光栅。为了避免光栅处于张拉状态,封装在外套管1、外套管2和内套管中的光纤余长应分别大于1.4mm,1.8mm和0.4mm。试验结果表明,该光栅传感器的温度响应灵敏度为9.671×10-3nm/℃,温度测量分辨率为0.1℃。当水温从20℃跃变到70℃时,该传感器的温度响应时间分别为t0.5=15±2s和t0.9=52±4s。当水温从70℃跃变到20℃时,该传感器的温度响应时间分别为t0.5=26±9s和t0.9=63±8s。     

基于色散补偿光纤的高速光纤光栅解调方法

本文提出并论证了一种光纤光栅高速解调的新方法, 利用色散补偿光纤的色散效应, 将光纤光栅的波长漂移信息转换成时域信息. 采用脉冲激光器作为光源, 仅需一个光脉冲可获取单根光纤上所有光纤光栅的反射光脉冲, 再根据各个光栅反射回光脉冲的延时变化即可实现波长的解调. 本方法可用于准分布光纤光栅传感网络解调, 系统采用全光纤结构, 无需波长扫描, 大大提高了解调速度. 本文搭建了测试系统进行实验验证, 对3个光纤光栅组成的准分布式传感网络进行了解调, 实验结果表明, 解调出的光纤光栅布喇格波长线性度好, 解调速度最高可达1 MHz, 采样数据取10次平均后解调线性度可达0.9969, 解调误差约为27.8 pm.     

光纤光栅传感信号解调技术研究进展

光纤光栅传感器是一种新型传感器,有着非常广泛的应用前景。限制光纤光栅传感器大量实际应用的主要障碍是传感信号解调,因而,光纤光栅传感信号解调是光纤光栅传感器应用的关键技术之一。本文对现有已报道的光纤光栅传感信号的解调方法进行综述,并归类为:边缘滤波法、匹配滤波法、可调谐滤波法、光源波长可调谐扫描法、射频探测法、光栅啁啾法、CCD分光仪法、干涉法。对各种方法的原理及相关改进方法进行了阐述,并对其优缺点做了比较分析,最后,对光纤光栅传感信号的解调技术发展进行了展望。     

D形光纤Bragg光栅弯曲灵敏度的理论和实验研究

用材料力学理论分析了D形光纤Bragg光栅（D-shaped fiber Bragg grating,D-FBG）以及常规光纤Bragg光栅由弯曲引起的轴向应变,得到了光栅Bragg波长漂移的弯曲敏感特性.实验结果和理论计算结果基本相符.与常规FBG相比,该D-FBG的弯曲灵敏度要高近80倍.因此D-FBG可以直接应用于弯曲形变的测量,以及间接应用于压力、加速度等物理量的测量.理论分析和实验结果对采用该类型光纤光栅的器件和传感系统的设计具有参考意义.