基于光纤布拉格光栅加速度传感器的研究进展

随着光纤布拉格光栅(FBG)传感技术的飞速发展,基于FBG技术的加速度传感器成为了一个新的研究和发展的方向。理论分析了FBG加速度传感器的基本原理,重点介绍了基于FBG理论开发的加速度传感器探头结构的研究进展,分析了探头结构的传感机理及性能指标,指出了实际应用存在的关键技术问题,并对未来的发展进行了展望,为设计新型探头结构及探头的实用化提供了借鉴。     

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。     

基于参考光栅的光纤光栅应变传感器温度补偿

为解决光纤布拉格光栅（FBG）应变测量时的应变、温度交叉敏感问题，利用FBG便于构成传感网络的优点，将温度补偿参考FBG与应变测量FBG串联在一路光纤上，根据2只FBG布拉格波长相对漂移获得被测结构应变。双FBG波长相对漂移对温度的灵敏度仅为0．12pm／℃，较好地实现FBG应变测量的温度补偿。参考FBG法原理简单，可操作性强，为FBG应变传感器的实际工程应用奠定了基础。     

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.     

一种布拉格光纤光栅加速度传感器

本文介绍了一种基于布拉格光纤光栅 (FBG)的加速度传感器设计。为了克服等截面悬臂梁的局限性 ,该设计采用等强度悬臂梁的形式。结果表明 :该种光纤加速度传感器具有良好的稳定性和较高的分辨率 (0 .0 0 5g) ,适合海洋平台等大型工程结构的加速度测量。     

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。     

基于对称铰链的中低频光纤加速度传感器及其优化设计

考虑到光纤布拉格光栅(FBG)在振动监测中的 优势,设计了一种基于对称铰链的中低 频布拉格光栅加速度传感器。阐述了传感器的结构和工作原理,并提出了一种拟合的方法计 算铰 链刚度,同时推导出了传感器固有频率和灵敏度的理论公式。采用SQP优化方法以两种不同 的思 路对传感器的结构参数进行优化,得到了两种满足不同需求的传感器尺寸。最后通过在振动 台上 的标定实验,测试了传感器的灵敏度、幅频响应特性和抗横向干扰能力等性能。实验结果表 明, 传感器的谐振频率约为400Hz,灵敏度约为230pm/g,横向干扰小于8%,具备较好的抗横向干扰能力。     

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。     

基于温度自补偿原理的光纤布拉格光栅压力传感器

本课题研究了温度自补偿对FBG压力传感器的作用。在压缩和牵拉FBG或温度变化时,FBG周期与反射率会发生变化,从而使光纤光栅中心波长相应漂移。本课题设计的FBG传感器,可以用来分析中心波长漂移与水位的对应变化关系,同时消除环境温度与结构热膨胀的影响。与通常的FBG传感器相比,该传感器的结构用来消除温度对压力测量结果的影响,实现温度的自补偿,对于解决温度和压力交叉敏感的问题具有指导性意义。本课题分析了传感原理,进行了温度和压力测试,显示出传感器性能优良,在0-500厘米的水位压力内,精度达5‰FS,分辨率1.3cm,重复性误差0.863%,线性误差0.415%.     

一种基于光纤布拉格光栅的金属腐蚀传感器

基于钢筋混凝土中钢筋锈蚀膨胀和光纤布拉格光 栅(FBG)应变测量原理,设计了一种新型的FBG金属腐蚀传感器。传感器由FBG腐蚀测量传 感器、FBG温度补偿传感器和带有通槽、凹槽、 通孔的钢筋件组成。FBG腐蚀测量传感器用于测量钢筋锈蚀引起的应变,FBG温度补偿传感器 用于消除温 度交叉敏感特性。钢筋件的通槽用环氧树脂填充后,把腐蚀测量传感器的FBG紧密缠绕在钢 筋件的表面, 并固定在环氧树脂固定点上。温度补偿传感器的FBG经过增敏处理后布置在通孔中。推导了 钢筋锈蚀率与FBG波长的理论计算公式;制作了用水泥砂浆封装的FBG金属 腐蚀传感器;最后在制作的混凝土试件上进行加速腐蚀实验,考核传感器的性能。实验结果 表明,设计的FBG 金属腐蚀传感器能够直接测量钢筋的锈蚀程度,并且具有较大的量程,可实现钢筋 混凝土结构中钢筋的 轻微锈蚀和较严重锈蚀情况监测,适用于建筑、桥梁和隧道等领域钢筋混凝土结构中钢 筋锈蚀的结构健康监测。     

基于双材料悬臂梁的光纤光栅应力与温度传感器

设计了一种新型的悬臂梁结构,采用单根光纤Bragg光栅(FBG)实现温度和应力同时测量的传感器方案.传感器使用了由两种有机聚合物材料加工成的等强度悬臂梁,解决了FBG应用于压力和温度测量时的交叉敏感问题.传感器在压力和温度同时作用下,FBG反射谱分裂成双峰结构.通过测量反射谱中的双峰峰值波长达到温度与应力同时测量的目的...     

一种用于泥石流地声监测的FBG加速度传感器

针对泥石流地声的特性,设计了一种悬臂梁 结构的光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器。理论分析了FBG传感器灵敏度、谐振频率的 影响因素,对传感器 的关键参数进行了优化设计;引入抗弯光纤、高分子超薄涂覆以及CCD解调等新技术,改 善传感器的灵 敏度、串接复用等性能;最后进行了对比测试。实验结果表明:所设计的传感器灵敏度高达 400pm/g,固有频率为310Hz,能很好地满足 泥石流地声监测的要求。     

基于靶式和悬臂梁的FBG流量/温度同时测量研究

提出一种基于靶式结构和悬臂梁结合的新型流量/温度同时测量的光纤Bragg光栅(FBG)传感器。当流体流过传感器,流速的变化引起圆形靶产生应变,应变传递到等强度悬臂梁1上,进而引起粘贴其上的FBG1波长发生改变,而粘贴在悬臂梁2上的FBG2波长不发生改变;流体温度发生变化会引起FBG1、FBG2波长同时发生改变,且波长改变相同;通过测量两光栅的波长,得到流体的流量和温度。在水和蓖麻油实验得到:传感器的流量测量范围分别是400～2200cm3/s和700～1800cm3/s,温度测量范围是0～100℃。     

基于等强度悬臂梁的低频高灵敏度FBG加速度传感器研究

针对桥梁低频振动监测灵敏度低的问题,提出了一种基于等强度悬臂梁的低频高灵敏度光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)加速度传感器。以悬臂梁厚度与质量块质量为主要参数设计了12组FBG加速度传感器,通过激振器对传感器进行幅频特性、灵敏度及横向抗干扰试验,得到较适合监测桥梁振动的一组传感器,其固有频率为49 Hz,工作频带为0—34 Hz,灵敏度高达664.53 pm/g,线 性 度为99.9%,且横向抗干扰能力强。通过理论推导到试验验证,为桥梁振动提供一种新型有效的监测手段。     

基于FBG传感网络的输油管道泄漏检测方

提出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感网络的输油管道泄漏检测方法.以悬臂梁结构为基础,设计了具有温度自补偿功能的FBG传感检测探头;为解决传感探头的安放局限性,设计了特殊的感应层与应力传导方式,并结合FBG传感信息实现对泄漏点的检测与定位.通过理论分析可知,该检测方法具有一定的可行性,对解决在役输油管道的泄漏检测与定位问题提供了一种可靠的方案.     

基于聚酰亚胺材料的FBG湿度传感特性研究

提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)侧面镀膜感湿的新型全光纤湿度计,选取具有高湿敏特性和线膨胀系数(9.432×10-5%RH)的改性聚酰亚胺(PI)作为湿敏材料。通过在FBG侧面涂覆5种不同厚度的PI薄膜,检测厚度对传感器灵敏度和响应时间的影响,实验结果与理论计算符合很好,通过测试,PI薄膜厚为21μm时,传感器的湿度灵敏度为2.67×10-6/%RH,响应时间小于8s,有很好的实际应用前景。     

基于双光纤光栅温度压力同时区分测量的研究

提出了一种基于薄壁圆柱壳体的压力温度同时区分测量的光纤Bragg光栅(FBG)传感器结构。将双FBG沿着轴向分别粘贴在壁厚度不均匀的柱体外表面,由于两个FBG受到温度影响而引起的波长漂移量是相同的,这时两光栅Bragg波长漂移量之差就完全取决于压力,从而实现对压力温度的区分测量。实验测得,在0～7MPa内传感器的压力响应灵敏度为0.073nm/MPa,在22.6～112.6℃内的温度灵敏度为0.037nm/℃,分别是裸FBG的24倍和3.7倍。结果也表明,这种传感器具有良好的线性度与可重复性。     

基于单膜片FBG的加速度传感器优化设计

提出了一种基于单膜片全粘封装的光纤布拉格光 栅(FBG)加速度传感模型。首先,理论分 析了其传感原理,并优化了最佳加速度灵敏度,深入分析和讨论了该模型的加速度灵敏度的 频率响应。然后,基于该模型设计了 FBG加速度传感器,实验研究了加速度的幅频响应特性、谐振频率和加速度的线性响应。结 果表明:在小于共振频率的低频段 具有较好的平坦区,加速度与波长具有较好的线性关系,线性度为99.8%,加速度响应灵敏度为36.6pm/G,实验值与理论值得的 相对误差为3.68%;实验研究了传感器的横向抗干扰能力,交叉灵敏 度小于1.3%,表明基于该模型的FBG加速度传 感器具有较好的响应特性。     

一种基于施加预应力的FBG封装技术

提出了一种操作方便、性能可靠的光纤Bragg光栅（FBG）传感器高温固化封装工艺。实验中,采用预应力施加装置对FBG施加轴向预应力,用高温固化剂将FBG固化封装于弹性衬底材料表面。测试结果表明,施加预应力高温固化封装的8个FBG传感器线性度均在0．999以上;波形无啁啾现象,对温度的响应灵敏度系数平均为2．05×10^...     

基于悬臂梁啁啾调谐的光纤光栅滤波器

提出并发展了一种基于悬臂梁结构的啁啾光纤Bragg光栅(CFBG)啁啾调谐方案,获得了一系列性能优异的可调谐CFBG滤波器,包括调谐范围达到36 nm(1.8～37.8 nm)的带宽可变反射滤波器、色散在178～2 100ps/nm范围内可调的色散补偿器、基于取样CFBG或重叠写入CFBG的信道间隔可调谐滤波器等。这些FBG滤波器不但能维持较高的反射率,还能保持中心波长基本不变。