基于光纤光栅的高灵敏度流速传感器

利用光纤光栅压强传感机构和汾丘里管设计了一种基于光纤光栅的流速传感器,并推导了光纤光栅中心波长漂移量与流速的关系式。实验表明,该传感器具有较高的灵敏度,稳定性较好,光纤光栅的中心波长随流速的增加而不断向短波方向漂移,而带宽几乎没有变化,实验和理论符合得较好。该流速传感器的动态感测范围为51.0~148.2 mm/s,在该范围内,至少可感测到0.3 mm/s的流速变化,这是目前所报道的最优值。优化光纤光栅压强传感机构及汾丘里管的参量,可测量其它速度段的流速,并可进一步提高传感灵敏度。     

对称熔融拉锥型光纤光栅温度和应力传感特性

锥形结构的光纤光栅具有对应力敏感而对温度不敏感的特性,这可以有效抑制温度与应力的交叉敏感问题.提出一种利用熔融拉锥技术实现对称双锥形结构的光纤光栅,结合传输矩阵法建立其传感特性理论模型并加以分析.首先研究影响啁啾系数变化的因素,得到啁啾系数与光栅长度变化量的关系;其次对对称熔融拉锥型光纤光栅的光谱特性进行分析,讨论光谱短波长处出现密集调制现象的成因;然后仿真研究温度和应力对对称熔融拉锥型光纤光栅的反射谱影响,得到对应的中心波长和光谱宽度的变化关系.并针对应力灵敏度较低问题,提出聚合物涂覆锥区增大传感锥区光纤半径差而进行增敏的方案,利用熔融拉锥法制备对称熔融型光纤光栅,通过实验验证理论仿真的正确性,对称熔融拉锥型光纤光栅应力灵敏度为0.11391 nm/N.研究表明,对称熔融拉锥型光纤光栅的啁啾系数与光栅长度变化量满足线性关系.对称熔融拉锥型光纤光栅端处光栅周期较小,且反射率小于1,左边透射光与右边反射光会产生干涉,因此光谱短波长处会出现密集调制现象.随着轴向应力的增大,光栅反射中心波长向长波方向移动,光谱宽度变大,且两者与轴向应力均满足线性关系;随着温度升高,反射谱峰中心波长向长波方向移动,满足线性关系,而温度对光谱宽度的影响可忽略不计.通过增大传感锥区光纤光栅半径差,光纤光栅的应力灵敏度较之前提高了数百倍,并且增大光栅长度变化量有助于进一步提高应力灵敏度.对称熔融拉锥型光纤光栅的光谱宽度只对应力敏感而对温度不敏感,这一特性可用于实现温度与应力双参量测量.     

相移光栅磁场传感方案交叉敏感分析

通过相移光栅的偏振相关损耗(PDL)进行磁场测量是一种较为新颖的磁场测量方法,可用于对脉冲交变强磁场的测量。交叉敏感问题是光纤光栅传感中的关键问题。忽略光栅固有双折射,利用传输矩阵法对磁场传感原理进行了推导与仿真,理论分析了温度、轴向应力和压力等对相移光栅透射窗口的影响,并对相应的PDL峰值变化进行了数值仿真。理论和实验表明,透射窗口峰值的波长随温度和轴向应力呈线性变化,PDL谱线发生横向平移,磁场传感系统不受影响。压力的变化改变了光栅的折射率分布,产生应力双折射,PDL谱线发生不规则变化,对磁场测量结果产生严重影响。     

紫外写入光纤光栅应变传感特性研究

采用紫外写入光纤Ｂｒａｇｇ光栅研究其应变传感特性。光纤光栅要借助外界应力引起轴向应变和折射率变化造成光栅Ｂｒａｇｇ反射波长移动。在温度２０℃,利用波长在４００￣１８００ｎｍ范围色散的光谱仪并用ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ ＥＬＤ作宽带光源,从实验上测量了光纤光栅的应变与Ｂｒａｇｇ反射波长间的关系,结果表明Ｂｒａｇｇ反波长移动与光纤光栅外界应力变化在１５５．４￣１５６．８ｎｍ波长范围呈线性。外界应力引起的     

一种测量温度和流速的光纤光栅传感器

提出一种基于铝片的测量温度和流速的光纤布喇格光栅(FBG)传感器。采用一种耐高温胶将光纤布喇格光栅封装在一小铝片上，经过高温固化处理，可保持光纤光栅传感器的稳定性。通过-20℃～100℃温度实验，得到该传感器的温度灵敏度系数为0.0392nm/℃,是封装前的3.5倍，且传感器温度响应保持了很好的线性和重复性。从水温14.5℃时的流速实验中得到水流速在0～20m/s范围变化时，FBG峰值波长漂移了0.13nm,验证了此光纤光栅传感器测量流速的可行性。试验结果表明，该传感器既可以作为温度传感器，又可以作为流量传感器，并且制作简单，成本较低。     

利用光纤光栅实现力学量二维实时感测的研究

将一根光纤上写入两个不同波长的布位格光栅，沿矩形悬臂梁的中性而与表面的交线粘贴于靠近固定端两个相邻侧面，利用不纤光栅波长绝对编码的特性，实现了应力（或应变）与位移的二维实时传感测量。理论分析和实验结果证明，通过监测粘贴梁上的两个光纤光栅波长变化的大小和指向，能够实时感测应力、位移等力学量的大小和方向。在与梁轴垂直的方向上，获得应力实验灵敏度分别为5．32nm/N和3．21nm/N，位移实验灵敏度分别为0．30nm/mm和0．48nm/mm。     

基于长周期光纤光栅的磁场传感方案的实现

长周期光纤光栅是近几年出现的一种新型光纤器件。其耦合机理是前向传输的纤芯基模与前向传输的各阶包层模式之间的耦合 ,这与光纤布喇格光栅明显不同。它对温度、应力、弯曲及外部折射率的变化具有相当高的灵敏度 ,是一种理想的光纤型敏感结构。提出利用长周期光纤光栅谐振波长的移动或移动变化量进行磁场强度的测量 ,并进行了理论推导、仿真实验及分析研究。得出了谐振波长变化量与外界磁场强度的关系模型。分析了设计中应该考虑的因素。     

基于双芯光纤级联布拉格光纤光栅的温度与应力解耦双测量传感系统

提出了一种基于耦合型双芯光纤级联布拉格光纤光栅的温度与应力双参数解耦测量的全光纤型传感系统。实验制备了一系列不同长度的双芯光纤滤波器,并测量分析了其自由光谱范围与双芯光纤长度的关系,结果与理论基本一致。实验发现双芯光纤及布拉格光栅对施加应力与环境温度的变化具有不同的光谱响应。利用光谱分析仪实时监测双芯光纤透射光谱波谷处波长及光纤光栅透射谱的波长漂移量,方便地实现了温度与应力的解耦双测量。多次测试发现该传感器对应力与温度响应特性具有良好的重复性,波长误差低于实验所用光谱仪分辨率。对于0.01 nm波长分辨率的光谱仪,提出的全光纤型传感器可以分别实现4.3048με及0.4562℃的应力与温度传感测量分辨率。     

长周期光纤光栅谐振波长与曝光量的变化关系

利用波动干涉理论推导了长周期光纤光栅的光栅方程. 利用色心模型和Kramers-Kronig原理，得到了长周期光纤光栅的中心谐振波长与曝光量的变化关系的理论公式，并进行了实验研 究. 理论和实验结果都表明，长周期光纤光栅的中心谐振波长与曝光量的关系按多项e负指 数之和规律变化，其变化率受到模板占空比的控制；另外，长周期光纤光栅的中心谐振波长 与模板占空比成反比关系. 关键词： 长周期光纤光栅 谐振波长 模板占空比     

基于应力分析的电镀保护光纤布喇格光栅传感性能分析(英文)

为保护光纤光栅,提出了一种镀层和光纤光栅结合良好的无粗化过程的化学镀和电镀保护方法.基于应力分析法,得到镀镍光纤光栅的温度灵敏度公式,采用ANSYS有限元软件分析了电镀后光纤光栅应力随温度变化关系,并进行了实验证实.结果表明:光纤光栅电镀后温度灵敏度理论和实验值分别为20.6951pm/℃、22.076pm/℃.理论分析和实验、仿真结果基本一致.相比裸光纤光栅,温度灵敏度增加到原来的2.2倍.该方法不仅可以获得厚度理想的保护层,还可以提高光纤光栅的温度灵敏度.     

探测氢气泄漏的布拉格光栅型传感器

介绍了布拉格光栅型氢传感器的工作原理,开发出一种新型的由布拉格光栅和溅射钯膜组成的氢气敏光纤传感器。分析了此传感器的应力传递过程,建立了最大波长漂移量与氢浓度关系的数学模型。通过试验研究了光栅的氢响应特性,理论模型预测的最大波长漂移量与试验结果十分吻合。     

基于Bragg光纤光栅传感器的监测系统设计

设计了基于Bragg光纤光栅传感技术的监测系统,当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其他物理量发生变化时,光栅的周期或纤芯折射率将发生变化,从而使反射光的波长发生变化,通过测量反射光中心波长的变化,就可以获得待测物理量的变化情况.该系统利用薄膜滤波器完成对外界的分布式测量,采用光强度检测,能够实现无缝监测.     

活塞式菱形结构光纤布喇格光栅渗压传感器

为了适应矿井、大坝对渗压监测的需要,提出一种活塞和菱形传压结构相结合的光纤布喇格光栅渗压传感器,活塞把测试压力传递到菱形传压结构,菱形传压结构拉动其上下对称连接的弹性钢片,导致粘贴在弹性钢片上的光纤布喇格光栅中心波长产生变化.利用有限元方法在500kPa的测试环境中对顶角分别为90°、110°、130°、150°情况下菱形传压结构的应力特性进行分析,根据仿真参量研制了渗压传感器,并对该传感器进行了压力标定试验和温度补偿试验.实验结果表明:传感器对渗压的灵敏度为2.04nm/MPa,拟合度为0.997,重复性为0.9%,两个测压光栅温度灵敏度分别为0.023 33nm/℃、0.021 68nm/℃,温补光栅为0.009 916nm/℃.     

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。     

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。     

基于光纤Bragg光栅的行车模型主梁挠度的测量

简易桥式起重机的力学结构是一种简支梁,研制了一种行车模型,主要包括工字梁及一个可吊挂重物的滑块.光纤Bragg光栅沿工字梁的轴向均匀粘贴于行车主梁的下表面,侧点分别位于离主梁的1/4、1/2和3/4等三个位置.在测量中,通过吊挂重物对主梁产生挠度,从而导致粘贴其下表面的光纤Bragg光栅产生波长移位.载荷试验表明,在主...     

Bragg grating chemical sensor with hydrogel as sensitive element

A novel fiber Bragg grating (FBG) based chemical sensor using hydrogel, a swellable polymer, as sensitive element is demonstrated. The sensing mechanism relies on the shift of Bragg wavelength due to the stress resulted from volume change of sensitive swellable hydrogel responding to the change of external environment. A polyacrylamide hydrogel fiber grating chemical sensor is made, and the experiments on its sensitivity to the salinity are performed. The sensitivity is low due to the less stress from the shrinking or swelling of hydrogels. Reducing the cross diameter of the grating through etching with hydrofluoric acid can greatly improve the sensitivity of the sensor.     

73-nm tuning of a double-clad Yb<Superscript>3+</Superscript>-doped fiber laser based on a hybrid array

We report on a wide wavelength tuning in a double-clad ytterbium-doped fiber laser. The laser cavity consists of an array of broadband high-reflection fiber Bragg gratings and a bulk grating as the output coupler and wavelength selection element. The proposed fiber laser configuration combines a low intracavity loss of the fiber Bragg grating mirrors with a wide wavelength tuning of the bulk gratings. We demonstrate a >70-nm wavelength tuning range, limited only by the available fiber Bragg gratings.     

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。