光纤光栅压力传感器的理论建模及实验研究

鉴于压力传感器为工业生产中压力监控的一种必不可少的设备,分析了光纤光栅中心波长与光纤光栅应变之间的关系,阐述了带有硬中心的圆形膜片受到均匀压之后,膜片中心的挠度与压力之间的数学关系。在此基础上设计了圆形膜片作为流体压力转化光纤光栅敏感物理量的元件,并结合辅助元件完成对光纤光栅传感器组装,建立了传感器输入输出之间的线性数学模型。通过实验验证传感器线性度和重复性,运用数学计算得出了光纤光栅压力传感器各项参数,灵敏度Km=-0.658 nm/MPa,初始波长0=1 578.441 nm,为后期传感器稳定性作好了铺垫。     

一种光纤布喇格光栅压力传感器的设计及实验

报道了一种新型光纤光栅压力传感器设计和实验结果.传感器利用双拱形结构,配合工形膜片将纵向分布的压力转化为膜片横向的应变,通过膜片结构传递应变给光纤光栅,从而达到测量纵向分布压力的目的.实验结果表明:当传感器受到纵向均布压力作用时,能够较好地感知压力的变化,光纤光栅中心波长的漂移与所受压力呈线性变化,且线性度达到0.999.在压力测量范围内,压力灵敏度达到1.059 × 10~(-3)/MPa.     

动态匹配光栅解调方法波长读出优化研究

提出了采用一支价格低廉的微测力传感器作为匹配光栅解调系统的波长读出单元,不同于以往动态匹配光栅解调法采用拉伸匹配光栅的PZT驱动电压作为解调系统波长读出单元.当匹配光栅和传感光栅布喇格中心波长重叠时,光电探测器将接收到最大光信号.利用光纤光栅轴向受力和反射波长漂移的数学关系得到光纤光栅传感器的波长漂移.该解调系统解决了传统动态匹配解调系统中PZT本身特性对系统的影响,探测到的光纤光栅传感器反射波长和匹配光栅轴向受力大小具有很好的线性,系统线性大于0.999.本系统对于探测布喇格传感器应变分辩率达到1 με以下.     

基于光纤光栅的螺纹管压弯扭测量技术

引入光纤光栅传感器,并结合螺纹管压弯扭分离测量理论,实现对螺纹管所受压力、弯矩和扭矩的测量.由测量结果可知,光纤光栅传感器测得压力与驱动电机上压力传感器测得压力基本相符,两者测得压力的差值为-11.4~15.5N;光纤光栅传感器测得弯矩与理论值基本一致,两者之间的差值为-0.54~0.46N·m;光纤光栅传感器测得扭矩与驱动电机上扭矩传感器测得扭矩基本相符,两者测得扭矩的差值为-0.54~0.87N·m.测量结果验证了光纤光栅传感器对螺纹管力学参数测量的可行性,为螺纹管的力学参数测量提供了一种新方法.     

光纤光栅压力传感器中应力迟滞的消除方法

提出了一种利用双光纤光栅消除光纤光栅压力传感器中应力迟滞的方法.将两个相同波长的光纤布拉格光栅分别对称粘贴于悬臂梁的上下表面并串接在一起,外压力作用下可实现调谐双光栅布拉格波长差.研究结果表明,该方法可消除弹性元件材料所引起光纤光栅压力传感器的应力迟滞,改善传感器的线性响应特性和重复性,在0~40 MPa的压力范围内,双峰波长差的调谐范围为5.12 nm,是单峰波长调谐范围的2倍,压力调谐双峰波长差的灵敏度可达0.128 nm/MPa,是压力调谐单峰波长灵敏度的2倍.     

光纤传感器及在窃听技术中的应用

主要阐述了基于光纤压力传感器的传声技术,即光纤麦克风,接着以光纤光栅型声音传感器为例,论述光纤传感器在窃听中的应用。     

光纤光栅弹簧管压力传感器的压力和温度特性

本文利用弹簧管对于压力的机械放大作用,将弹簧管与光纤光栅悬臂梁调谐技术相结合,研制了一种新颖的光纤光栅弹簧管压力传感器,大大提高了光纤布喇格光栅对压力测量的灵敏度,压力灵敏度系数可达-1.79×10^-4/MPa,比裸光栅提高了两个数量级,在0～12MPa的压力范围内,光纤布喇格光栅中心反射波长的改变与压力成良好的线性关系.同时由于悬臂梁热膨胀效应的影响,光纤光栅的温度灵敏度提高为裸光栅的7倍.     

动态匹配光栅解调传感系统温度补偿研究

采用一对辅助匹配光纤光栅,结合基于MAX1968EUI芯片闭环自动控制,设计了一种半导体小型温度控制系统.通过控制传感光栅反射峰值变化,使匹配光栅温度变化与传感光栅周围环境温度变化相匹配,实现了动态匹配光栅解调方案的应变测量系统温度补偿,消除了光纤光栅传感器温度、应变交叉敏感效应对传感系统测量应变的影响.解调系统同时采用一支微测力传感器作为解调系统的输出,消除了传统动态匹配光栅解调系统中压电陶瓷磁滞效应对测量结果的影响.实验结果表明,温度变化对系统应变测量影响误差小于2％,传感系统的线性优于0.999 5.     

用光纤光栅传感器测量外压力的动态调制方法

为了提高光纤布拉格光栅压力传感器的精度和降低系统成本，提出一种使用光纤双布拉格光栅测定压力的测量方法，即在外界压力作用下，传感光纤布拉格光栅反射波长的飘移被转变成在交变力策动下发生弯曲的等强度悬臂梁调制的扫描光栅的反射光脉冲间隔的变化。实验结果表明：光纤布拉格光栅反射波长漂移的测量范围为0～3nm，波长测量的不确定度为1pm；压力传感器的量程为0～6MPa时，压力的测量不确定度为0.005MPa。     

轮辐式光纤光栅压力传感器的设计与实现

利用光纤光栅作为基本传感元件,设计研制了一种基于轮辐式压力盒装置的新型光纤光栅压力传感器.常温下在0～30 KN的范围内,其测量线性度达到99.91%,灵敏度达到22 N,且响应速度快.与其它类型的光纤光栅压力传感器相比,轮辐式光纤光栅压力传感器具有更大的测量范围、更高的抗干扰能力,并且由于光纤光栅本身的波分复用特性,可以很方便地构成压力传感网络进行多种物理量、多点的测量.实验表明：本传感系统具有结构简单、操作方便、滞后小、重复性好、结构高度小、重量轻等优点,在桥梁、大厦等超大型建筑以及大型管道等的检测与监测方面将会有更为广阔的应用前景.     

钢丝绳在线非接触测长系统研究

钢丝绳成品长度是供货合同的重要指标,与经济效益、企业信誉息息相关。针对在线钢丝绳纹理变化特点,提出一种基于线结构光的非接触测长系统,通过比较钢丝绳在不同时刻,不同位置的线结构光投射条纹图像的相似性,间接测量绳长。对投射条纹提取、条纹相似性度量等关键算法进行了阐述。实验证明,系统解决了传统接触测长固有的打滑、磨损等问题,避免了钢绳在线速度变化、捻距误差等因素的影响,具有准确、高效、实时性强的特点。     

Interrogation of fiber-Bragg-grating temperature and strain sensors with a temperature-stabilized VCSEL

The interrogation of fiber-Bragg-grating (FBG) sensors using a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) is discussed. A long-wavelength (1.54 μm) VCSEL was used as a wavelength-tunable source by variation in the current. Temperature stabilization was performed with a thermoelectric device. Characteristics of temperature and strain sensing were investigated. FBGs with different reflectivities were compared. For temperature sensing, the root-mean-square error in the measurement was reduced to 1/3 that without temperature stabilization. The dependence of the measurement error on the reflectivities of the FBGs was investigated. The measurement error was larger for FBGs with lower reflectivities in both temperature and strain sensing. Improvement on the sensing with low-reflectivity FBGs is discussed.     

一种新颖的高灵敏度光纤光栅带宽调谐机构

设计了一种由一直梁和两个半圆拱组成的开口环结构,并将均匀光纤布拉格光栅斜贴于直梁中间的表面处。对两半圆拱施加与直梁方向平行的应力作用时,光纤光栅受到线性应力场的作用,光纤布拉格光栅即转化为啁啾光纤光栅。该机构实现了光纤光栅带宽的线性调谐,线性度高达0．9982,实验结果与理论分析一致。与以往的带宽调谐机构相比,该机构具有很高的应力灵敏度,在20N力的作用下,可产生约7nm的带宽反射,灵敏度达0．34nm／N。利用环境温度对带宽调谐无影响的特性,采用带宽编码技术,研制出具有温度自动补偿特性、高灵敏度的带宽调谐装置。     

小直径光纤光栅的研制及传感交叉敏感研究

研究了小直径光纤光栅的研制以及传感中的温度应变交叉敏感问题.首先根据耦合模理论,分析了小直径光纤Bragg光栅光谱特性,确定了包覆层为80 μm的单模光纤加工成中心波长为1 528 nm的Bragg光栅的栅长及周期,并研究了小直径光纤光栅与解设备之间的连接方式.其次利用等强度梁的变形特点,结合矩阵法,提出基于等强度悬臂梁双Bragg光纤光栅矩阵算法,对小直径光纤Bragg光栅的交叉敏感问题进行研究.温度和应变的实验辨别误差分别为5%和6%.实验结果表明,该方法可以分离温度和应变对光纤Bragg光栅传感的影响.采用该方法去除交叉影响,K矩阵始终存在逆矩阵,因此对所采用的光栅无特殊要求,从而扩大了光纤光栅选用范围,并将温度和应变识别出来.     

光纤光栅称重传感器研究

提出一种基于光纤光栅传感技术的称重系统.用特种粘贴剂将布喇格光纤光栅(FBG)粘贴于悬臂梁的自由端,当悬臂梁自由端受力发生微挠度弯曲时,光纤光栅将沿轴向发生形变,通过监测布喇格光纤光栅传感器反射波长漂移测量悬臂梁的微挠度变化.通过分析悬臂梁结构,建立悬臂梁受力与挠度的数学关系,进而测量出加载在悬臂梁自由端应力的数值.通过对系统结构理论分析和实验验证,该装置称重测量范围达到50千克力,测量灵敏度达到0.05千克力,线性拟合度达到0.9997.     

基于封装光纤Bragg光栅传感器的混凝土应变监测试验研究

研究了光纤Bragg光栅封装工艺,提出并实现了两种封装光纤Bragg光栅传感器:工字型钢管封装光纤Bragg光栅应变传感器及钢管封装光纤Bragg温度传感器。研究了传感器的埋设工艺,采用金属丝固定法、钢管抽出法两种方法进行了埋设。将它们埋入到钢筋混凝土梁中,实现对混凝土的拉、压应变及温度的测量。结果显示,在试验梁弹性阶段,可以较为准确的监测混凝土应变。     

Compact FBG diaphragm accelerometer based on L-shaped rigid cantilever beam

A compact fiber Bragg grating(FBG) diaphragm accelerometer based on L-shaped rigid cantilever beam is proposed and experimentally demonstrated.The sensing system is based on the integration of a flat diaphragm and an L-shaped rigid cantilever beam.The FBG is pre-tensioned and the two side points are fixed,efficiently avoiding the unwanted chirp effect of grating.Dynamic vibration measurement shows that the proposed FBG diaphragm accelerometer provides a wide frequency response range(0-110 Hz) and an extremely high sensitivity(106.5 pm/g),indentifying it as a good candidate for embedding structural health monitoring and seismic wave measurement.     

调频连续波分布式光纤布拉格光栅复用系统

研究了利用调频连续波(FMCW)技术对分布式光纤布拉格光栅(FBG)复用系统进行寻址的基本原理;仿真分析了FBG传感器复用距离是系统最小分辨距离的整数倍或非整数倍时,对频谱信号的影响;搭建了基于FMCW的FBG复用系统实验平台,当传感距离1000m时,分别验证了不同扫描周期与复用系统差频信号的线性关系,及不同扫频范围与系统差频信号的线性关系。实验结果表明:FBG复用距离是系统最小分辨距离整数倍时,在测量距离1100 m范围内,系统测量最大误差为243 Hz,最大相对误差小于5%,可以实现FBG传感器的地址查询功能。     

Compact microfiber Bragg gratings with high-index contrast

We fabricate fiber Bragg grating (FBG) in microfibers (MFs) using focused ion beam milling technique. By periodically etching 100 nm-depth grooves on the surface of silica MFs with diameters less than 2 μm, evident grating features with transmission dip up to 15 dB are obtained. Because of the high-index contrast of the gratings structure, the length of the microfiber Bragg grating (MFBG) can be reduced to 500 μm level. Using a 518 μm-length 1.8 μm-diameter MFBG, we also demonstrate sensitivity up to 660 nm per refractive index unit (RIU) for refractive index (RI) sensing. The highly compact MFBGs demonstrated here may serve as low-dimensional building blocks for miniaturized photonic components and devices.     

带宽调制型单光纤光栅温变无补偿位移传感

报道了利用反射谱带宽调制和光强差分探测技术实现单一光纤光栅温变无补偿位移精确测量的新方法。设计了一种结构新颖的曲臂梁位移传感装置,结合光波导理论与材料力学原理分析了光纤光栅在高斯应变作用下光栅反射谱侧向梯度展宽的成因,理论推导了特殊结构梁在外力作用下光栅反射谱带宽/反射光强与压力之间的响应关系。光栅反射谱侧向梯度展宽的同时反射光强线性增加,利用光强差分检测方法消除光源出光抖动的影响,提高了位移测量精度。基于带宽调制的光纤光栅位移传感方法免受温度变化的影响,在-10℃~80℃的温度变化范围内,测量误差小于1.2%,实现了单光纤光栅温变无补偿位移测量。