光纤光栅应变传感器光-力转换的理论方程

光纤光栅(FBG)应变传感器的光-力转换方程,为其标准化设计、参数标定及精度分析的理论依据.基于Ansari光纤传感器的应变传递分析模型及弹性力学的基本理论,建立了统一的埋入式光纤光栅应变传感器光-力转换的基本理论方程.方程的建立反映了传感器复合体内部及其与观测环境之间的力学耦合机制,考虑了应变传递分析模型的各边界条件、变形协调条件,以及传感器的所有几何尺寸.对传感器实例的实验研究表明,这一理论方程基本可靠,可成为光纤光栅应变传感器优化设计和性能分析的实用化理论工具.     

基于神经网络的光纤光栅应变传感器重构

提出一种基于径向基函数神经网络模型来重构蜕化的光纤光栅应变传感器的方法.以结构健康监测系统中应变测量系统的光纤光栅应变传感器之间关联分析为基础,依据径向基函数神经网络强大的函数逼近能力,利用关联度高、运行良好的应变传感器去重构蜕化的应变传感器,保证重构的应变传感器与蜕化传感器有较高的数据准确度.实验结果证实了该方法在理论和实践上的精确性和可行性.     

保偏光纤光栅应变传感器的研究

针对光纤布拉格光栅(FBG)温度和应变的交叉敏感问题,设计了一种带熔点保偏光纤光栅(PMFBG)结构。该结构通过将2段保偏光纤带加大推进量熔接,形成中间凸起结构,然后在熔点位置写入光栅。文中首先采用熊猫保偏光纤设计制作了该结构,并搭建实验装置测试其在(0~2)N轴向应力作用下的反射光谱,发现PMFBG快轴和慢轴的反射谱均分裂成2个峰值,随着轴向应力的增加,反射谱整体产生红移,同时分裂的2个峰值强度的比值单调减小,且不受温度的影响。随后,采用有限元法分析了该结构的轴向应变分布,并基于传输矩阵法仿真分析了该PMFBG反射光谱随应力的变化特性,仿真与实验结果的一致性较好。证实可利用PMFBG反射光谱的峰值之比消除轴向应变与温度的交叉敏感性,实现轴向应变的测量。     

Bragg光纤光栅法布里-珀罗传感器的应变测量

提出了一种对静态应变进行高分辨率测量的方法。该方法是把Bragg光纤光栅(FBG)与全光纤法布里_珀罗传感器(FFPI)组合起来,利用FBG反射波长的漂移特性来测量干涉条纹的数目。通过利用FFPI和伪外差解调法对小数条纹进行解调,可实现高分辨率的测量。结果表明,静态应变的测量分辨率达到了33×10-9ε(ε为应变)。     

基于神经网络的光纤光栅应变传感器重构

提出一种基于径向基函数神经网络模型来重构蜕化的光纤光栅应变传感器的方法.以结构健康监测系统中应变测量系统的光纤光栅应变传感器之间关联分析为基础,依据径向基函数神经网络强大的函数逼近能力,利用关联度高、运行良好的应变传感器去重构蜕化的应变传感器,保证重构的应变传感器与蜕化传感器有较高的数据准确度.实验结果证实了该方法在理论和实践上的精确性和可行性.     

长周期光纤光栅传感器温度和应变灵敏度分析

从耦合模理论出发,分析了长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度.结果表明,长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与光栅周期和纤芯参数有关,还强烈依赖于包层参数.通过选择适当的参数,可以制成对温度(或应变)不敏感的应变(或温度)长周期光纤光栅传感器,从而可以解决光纤光栅传感器的温度和应变交叉敏感问题.同时,利用基模与不同包层模耦合时温度和应变灵敏度的不同,可以用一根长周期光纤光栅传感器同时测量温度和应变.     

光纤布拉格光栅传感器应变传递耦合机理分析

建立了半平面体与光纤布拉格光栅传感器双向耦合的应变传递理论,得到表面粘贴式光纤布拉格光栅传感器测量应变与半平面体应变之间的关系.将理论解、有限元解和实验数据进行对比以验证该理论的正确性,并分析了应变传递率与半平面体弹性模量、半粘结长度的关系.结果表明:理论解与实验值非常接近,误差在4%以内,应变传递率随着半平面体弹性模量的增大、半粘结长度的增长而逐渐增大,对光纤布拉格光栅传感器的设计和应用具有一定的参考价值.     

光纤布拉格光栅传感器应变传递双向耦合分析

粘贴于受弯基体表面的光纤布拉格光栅传感器测量应变与基体真实应变之间存在误差,因此研究光纤布拉格光栅传感器的变形机理、分析测量应变与真实应变之间的关系是目前的研究热点.首先研究光纤布拉格光栅传感器与基体之间的相互作用机理,然后,利用有限元解、实验值和理论解进行对比验证,并分析产生误差的原因.最后,通过参数分析研究弹性模量、厚度、粘结长度等参数对光纤布拉格光栅传感器测量效果的影响.结果表明有限元解、实验值和理论解具有相同的变化趋势,有限元解与理论解的误差在2%以内,测量值与理论解的误差在7%以内.平均应变传递率随着基体弹性模量的增大、粘结长度的增长而逐渐增大,随粘结层弹性模量的减小、粘结层厚度的增大而逐渐减小.该理论对应用于受弯基体应变测量的光纤布拉格光栅传感器的设计具有一定的指导意义.     

金属基底光纤光栅应变传感器的传感特性研究

为了满足桥梁和大坝等民用建筑和航空航天飞行器等结构的健康监测与管理需要,设计并制作了两种分别用钛合金和不锈钢材料封装的光纤布拉格光栅应变传感器,并利用悬臂梁校准装置对两种传感器的应变特性进行测试。试验结果表明,钛合金封装的线性度及应变灵敏系数优于不锈钢材料封装的传感器。因此,在对结构的应变监测时,使用钛合金封装的传感器更能真实反映结构的应变变化,从而达到健康监测的目的。     

基于等应变梁的光纤光栅静电电压传感器

为了实现静电电压表的精确测量,提出了一种基于等应变梁和光纤布拉格光栅(FBG)的静电电压传感器。在一定温度范围内,由双FBG的结构方案实现了传感器的温度自补偿,通过对等应变梁的仿真分析和传感器系统的电场仿真,优化设计和制备了传感器结构系统。利用一对平板电极产生匀强电场,在静电力作用下等应变梁上的导体半球受力致使等应变梁发生变形,使得两个FBG反射光谱的中心波长产生偏移,通过FBG的波长差实现了电压的测量。实验结果表明:该传感器可实现5~24 k V直流(DC)高压和交流(AC)高压有效值的测量,5~12 k V的计算精度为2.1%,12~24 k V的计算精度为0.89%,传感曲线的拟合度为0.99985,基本满足高电压测量系统的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。     

光纤光栅式飞机驾驶杆杆力传感器研究

提出了一种基于光纤布喇格光栅的飞机驾驶杆力传感器.理论上讨论了飞机驾驶杆弹性元件力学特性和光纤布喇格光栅的应变传感特性,分析了飞机驾驶杆力传感器的灵敏特性.实验上通过测量不同外加载荷力作用下光纤光栅中心波长变化,研究了光纤光栅式飞机驾驶杆力传感器的传感响应特性.实验结果表明:光纤光栅中心波长漂移量和外加载荷力成线性关系,与理论分析吻合;传感器的横向与纵向灵敏度可以分别达到2.07pm.N-1和1.80pm.N-1,与数值模拟结果基本一致.     

基于空芯光纤和光纤布拉格光栅的温度应变同时测量传感器

提出一种新颖的温度和应变双参数同时测量的光纤传感器。该传感器由空芯光纤和光纤布拉格光栅级联而成。空芯光纤通过反谐振机理将光限制在空气纤芯内传输,满足谐振条件的光泄露出空气芯,在传输光谱上表现为周期性损耗峰。由于空芯光纤和光纤布拉格光栅的物理机理不同,对外界温度、应变的响应存在差异,利用耦合矩阵则可以精确地实现温度和应变双参数的同时测量。实验结果表明,在1550nm波长附近,空芯光纤和光纤布拉格光栅对应的温度灵敏度分别为24.55 pm/℃和12.76 pm/℃,应变灵敏度分别为-0.70pm/με和1.02pm/με,该级联结构的传感器制作简单且具有较高的测量精度。     

光纤布喇格光栅应变传感器结构优化研究

提出了一种改进的光纤光栅应变传感器结构,用有限元分析软件对其进行建模和静力仿真,得到其应力分布和光栅区域的应变情况.在整体宽度与厚度相等的情况下,此结构的灵敏度约为传统"工"字型结构的600倍.进一步分析了其关键区域的6个结构参量对应变灵敏度及量程的影响.筛选、设计并加工出不同尺寸的两种应变片,分别用UV胶与玻璃焊料对光栅进行封装,得到灵敏度分别为:249pm/N、330pm/N和1.1pm/N.比较分析表明,本文提供的分析方法与数据,可为不同工程应用场合的最优结构设计提供依据.     

光纤光栅电流传感器

基于悬臂梁技术 ,分析并验证了光纤光栅用于电流传感的可能性。采用等腰三角形悬臂梁确保光栅在传感过程中不出现啁啾现象 ,从而减小读数误差。系统传感灵敏度为 4 0 0× 10 - 2 nm A ,与预期值 4 15× 10 - 2 nm A基本吻合。     

光纤双向应变-位移点式传感器

选择不同间距的基片自由端和不同长度的自由悬垂光纤研制了利用光纤弯曲损耗的光纤双向应变-位移传感器.该传感器可分别用于测量应变和位移.实验表明:悬臂梁上的应变标准误差约为～26 με.微位移架上的位移标准误差约～0.06 mm.基本满足建筑结构对测量精度的要求.     

光纤光栅腐蚀传感器

提出了一种测量钢筋腐蚀的新型传感器.这种传感器将光纤光栅拉伸后固定在圆形钢筋的表面,在钢筋被腐蚀后,光纤光栅所受到的拉伸应变将被释放,光纤光栅的反射光波长发生变化,通过测量光纤光栅的波长就可以测得钢筋腐蚀程度.这种传感器测量准确度优于±0.1 μm,测量范围约12 μm,可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测.     

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.     

光纤光栅传感器的应用

在光纤传感领域，光纤光栅传感技术是十多年来发展最为迅速的技术之一，传感系统本身和应用领域均有了很大发展．文章介绍了光纤光栅的结构、性能以及传感的原理，回顾了光纤光栅传感器在地球动力学、航天器及船舶航运、民用工程结构、电力工业、医学、和化学传感中的应用．     

高灵敏度光纤应变传感器

提出一种基于锥形光纤和光纤F-P腔组合结构的光纤应变传感器。该传感器包含单模光纤拉锥形成的锥区和石英毛细管构建的F-P腔2个应变敏感区域。理论分析了光波在该传感器中的传播过程,获得了该传感器的光强传输函数。由于锥形光纤中激发出的包层高阶模参与干涉,导致传感器干涉光谱具有调制特性。实验获得了该传感器的干涉光谱,通过分析谐振波长偏移或消光比变化对应变实现独立测量,在0~500 με的测量范围内,该传感器的应变灵敏度为14.6 pm/με。利用锥形光纤引发的模式干涉和F-P腔的双光束干涉效应共同作用形成受调制的干涉谱型进行应变传感,应变灵敏度高,同时具备2种独立的应变检测手段(谐振波长和消光比检测)。     

3D打印封装光纤光栅传感器应变传递机理研究

采用3D打印方法开发光纤光栅应变传感器,建立裸光纤光栅传感器、3D打印封装层、被测基体三者之间的应变耦合传递的分离式模型,推导光纤光栅传感器与被测基体的应变传递关系,分析夹持式3D打印光纤光栅应变传感器应变传递率的影响因素,包括封装层弹性模量、封装层厚度、黏结长度。研究结果表明平均应变传递率与封装层弹性模量和黏结长度呈正相关,与封装层厚度呈负相关。研究成果对夹持式光纤光栅应变测量、误差修正和传感器设计,以及3D打印技术封装光纤布拉格光栅的可行性具有参考意义。