长周期光纤光栅应变和温度传感灵敏度研究

基于模耦合理论,从长周期光纤光栅在外加轴向应变或环境温度变化时可能出现的弹性形变、弹光效应、热光效应、热膨胀效应及波导效应入手,推导了描述其轴向应变和温度灵敏度的一般性公式.利用数值方法研究了光栅周期、耦合模式的阶次、弹光系数及热光系数对灵敏度的影响.结果表明：在相同条件下,增大光栅周期将是提高灵敏度的有效手段之一;低次模较高次模的耦合具有更高的灵敏度;包层与芯区的弹光系数（热光系数）相等时,波长漂移量很小且与谐振波长值有简单的正比关系.     

用双周期光纤光栅实现温度和应变的同时测量

介绍了光纤光栅传感器的一般原理，分析了长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅的应变和温度响应机理。结果表明，长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与纤芯参数和光栅周期有关，还依赖于包层参数。在同一根光纤上先后写入长周期光纤光栅、Bragg光纤光栅，利用长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅基模与包层模耦合时温度和应变灵敏度的不同，实现应变和温度的同时测量。     

长周期光纤光栅温度和应力传感特性研究

本文报道了长周期光纤光栅(LPG)温度和应力传感特性的实验研究结果,测得LPG的温度和应力灵敏系数均高于光纤布喇格光栅(FBG)灵敏系数的典型值,在11～80℃和0～100gf的温度和应力测量范围内,温度和应力响应曲线具有较好的线性.基于同一LPG不同透射波长具有不同温度和应力灵敏度的特性,实现了温度和应力的单光栅同时测量.     

基于单长周期光纤光栅光谱特性的温度和应变同时区分测量

根据长周期光纤光栅具有多个不同损耗峰的光谱特性提出了一种使用单个LPG对温度和应变两参数进行同时区分测量的新方案。实验选用了具有不同温度和应变传感灵敏度的第一和第四损耗峰,通过观测其相应的光谱图,得到因测量参数变化而导致的谐振波长的偏移。根据相应的参数求解矩阵方程,当被测量变化较小时,通过计算可知,交叉敏感对参数的测量基本上不产生影响;而当被测量变化较大时,可通过适当补偿消除交叉敏感而带来的偏差。实验测得的温度和应变误差分别是±0.92℃和±22με,该方案能较好地解决测量中存在的应变和温度之间的交叉敏感问题,有效地提高了系统的测量精度。实验结果表明,利用长周期光纤光栅的不同损耗峰同时测量温度和应变的方法是切实可行的,且实验系统体积小,成本较低,简单实用,具有较好的应用前景。     

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℃。     

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。     

长周期光纤光栅扭曲传感器

发现用高频CO2激光写入的长周期光纤光栅的谐振波长会随光栅扭曲而线性变化。当顺时针扭曲时，谐振波长向长波方向漂移；逆时针扭曲时，谐振波长向短波方向漂移。该新型扭曲传感器不但能实现对扭曲率的直接测量，而且能判断扭曲方向，因此具有广泛的应用前景。     

长周期光纤光栅强度型温度传感研究

对长周期光纤光栅(LPG)的温度特性进行了实验研究,测得的温度灵敏系数为0.086nm/℃,为光纤布喇格光栅(FBG)典型温度灵敏系数的8.2倍。以LPG作为传感元件,以可调谐掺铒光纤环形腔激光器作为光源,研究了LPG的强度型温度传感特性,在74℃的温度变化范围内,激光透射光强的对数与待测温度的关系具有良好的线性和重复性,温度测量的分辨率可达0.1℃。     

长周期光纤光栅的研究

在对长周期光纤光栅的光学特性进行分析的基础上,通过适当设计的程控自动扫描曝光系统,采用具有高度灵活必珠逐点写入技术在经过氢载处理的普通单模光纤上成功地进行了长周期光纤光栅的研制。随后对氢载光纤中长周期光纤光栅的稳定性问题进行了分析与研究。     

基于新型长周期光纤光栅的低成本应变传感系统

首次利用高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅的边缘滤波效应，实现了静态与动态应变的测量.使用单波长输入光，光信号经过长周期光纤光栅衰减后进入光电探测器，最终输出电压信号.当对光栅施加应变时，其中心波长将发生漂移，由于光栅阻带的边缘滤波效应，光电探测器接收的光强会随之变化，测量其输出的电信号，可以得出光栅发生的应变大小与频率.对于静态应变测量，可分辨的最小应变小于10 με，精度为±10 με;在动态实验中,发现光栅能够响应5 kHz以上的动态应变.这种传感系统结构简单，成本低,响应快.     

长周期光纤光栅弯曲特性的模式耦合理论分析

运用模式耦合理论分析了长周期光纤光栅的弯曲特性,得出了该特性与光纤归一化频率V和模式的阶数m有关的结论,即随着弯曲曲率的增大,其谐振波长可能向长波方向漂移也可能向短波方向漂移,光纤的归一化频率和所考察模式的阶数是其决定因素.并运用等效倾斜光栅理论合理解释了弯曲长周期光纤光栅耦合峰幅值的变化特性.     

光纤光栅温度与轴向应变响应机制分析

本文对温度和轴向应变对长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅耦合波长的影响机制作出分析,通过有代表性的举例计算数值给出了各因素对耦合波长的影响,指出轴向应变对耦合波长的影响除了来自光弹性效应带来的光纤折射率的改变外,光纤半径的变化,特别是光栅周期的改变也起重要作用.对比分析找到了长周期光纤光栅与Bragg光纤光栅温度,应变响应系数数量级异同的原因.     

对弯曲不敏感的长周期光纤光栅传感器

发现了用高频CO₂激光写入的长周期光纤光栅的谐振波长对弯曲灵敏度在圆周的不同方向上呈现周期性,且在两个特定的对称方向上对弯曲不敏感(即弯曲曲率达到1.1m^-1,谐振波长仅漂移-0.018nm).据此提出新型对弯曲不敏感的传感器和可调灵敏度弯曲传感器的设计方案,可望从根本上解决长周期光纤光栅在测量中存在的温度、应变或折射率与弯曲之间的交叉敏感问题.     

光纤光栅温度应变智能传感原理及增敏技术研究

文章分析了光纤光栅对温度和应变传感的响应机理，对光纤光栅的纤芯材料选择、光纤光栅的写入方法及封装方法等方面进行了综合评述，在此基础上讨论了实现光纤光栅对温度和应变传感增敏的基本原理和方法，介绍了长周期光纤光栅与光纤布拉格（Bragg)光栅融合测量和如何选用对温度和应变灵敏的纤芯材料，研究了超短脉冲激光直接写入法和如何选用热膨胀系数和弹性模量不同的特种聚合材料对光纤光栅进行封装处理。     

长周期光纤光栅中的包层模谐振

本文给出了光纤中包层模的电场形式,指出包层膜的电场形式与弱导光纤中导模的电场形式不同,对光纤中基模与包层模电场沿光纤横截面分布的重叠情况的分析表明,长周期光纤光栅除了能将HE₁₁导模耦合到HE_1p包层模外,也可以将其耦合到EH_1p包层模。基于耦合模理论的计算表明,耦合到EH_1p和EH_1,p-1包层模的耦合波长相近,对于典型的单模光纤,当p>4时耦合到这两个模式的耦合系数是可比的。     

光纤光栅的温度增敏实验

用热膨胀系数较大的聚合物材料对光纤光栅进行封装处理,极大地提高了光纤光栅的温度灵敏度。我们将光纤光栅封装于两种不同的聚合物材料中,其温度灵敏度分别提高6倍和23倍之多。这是迄今有文献报道的最大的光纤光栅温度灵敏度。     

光纤Bragg光栅应变、温度交叉敏感问题解决方案

应变和温度变化都会引起光纤Bragg光栅(FBG)反射波长的移动，这种交叉敏感问题是制约FBG传感检测技术实用化的“瓶颈”。从应变、温度交叉敏感的物理机制出发，分两类综述国内外关于交叉敏感问题的解决方案，介绍各类方案的工作原理，并详细分析几种近年来出现的典型方案的优缺点。     

啁啾叠栅光纤光栅反射特性和时延特性的研究

从耦合模理论出发,用矩阵分析法分析由两线性啁啾光纤光栅构成的啁啾叠栅光栅的反射特性和时延特性,分别得到光栅长度、啁啾系数和折射率变化峰值对反射谱及光栅时延的影响.