埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

埋入式光纤光栅应变传感器作为大型土木结构健康监测的智能元件具有很好的发展前景。讨论了埋入式光纤光栅应变传感器的传感机理，设计了埋入式光纤光栅应变测量系统。从力学角度阐述了光栅传感探头的结构和制作工艺。采用可调谐F-P滤波器对光栅信号进行解调，解决了应变与温度交叉敏感问题。系统对应变的测量范围为0～1500με。通过理论分析证实了系统方案的可行性。     

光纤光栅传感技术在成桥检测中的应用研究

在分析的基础上,通过等强度梁试验具体验证了光纤Bragg光栅波长变化与应变的关系,研究了光纤Bragg光栅传感器的布设工艺,并在某大桥的成桥检测过程中成功地布设了36个光纤Bragg光栅应变传感器与5个温度传感器,布设的传感器在成桥检测过程中监测结构层状态。监测结果表明：埋入的光纤Bragg光栅传感器具有很好的传感性能,可以很方便地监测桥梁结构,为桥梁结构的健康诊断提供可靠的依据。     

基于埋入式应变片的纤维缠绕压力容器的健康监测

在玻璃纤维缠绕金属内胆复合材料压力容器的制备过程中,将应变传感器埋在金属内胆与玻璃纤维/环氧树脂复合材料层之间,得到了具有原位监测功能的纤维缠绕压力容器。对该纤维缠绕压力容器开展水压疲劳和爆破实验。疲劳压力的最大值和最小值分别为25 MPa和2 MPa,最大疲劳周次为5700;打压爆破压力为零到爆破压力,打压速率为2 MPa/s。实验过程中,利用埋入式应变传感器原位监测了压力容器的应变变化,建立了不同载荷作用下纤维缠绕压力容器的应变与受载情况之间的关联。结果表明:采用埋入式应变传感器监测纤维缠绕压力容器的健康状况具有可行性;该方法在保护应变传感器不受外载荷破坏的前提下,原位监测了压力容器在疲劳和爆破实验中的应变变化趋势。     

表面等离子体波光纤传感器应用于复合材料固化监测的研究

对适用于机敏结构的表面等离子体波光纤传感器进行了初步的研究。将这种光纤传感器埋入复合材料结构就构成了所谓机敏结构。这种机敏结构既可进行复合材料的固化监测,又可进行应变检测。有利于传感器数量的减少和布置的简化,减少了传感元件的埋入对结构本身性能的影响。可以充分发挥光纤传感器对结构进行全过程监测的优点,具有广泛的应用前景。     

光纤网络用于复合材料结构状态检测的研究

本文提出一种采用埋入式光纤传感器对复合材料结构状态进行无损检测的新方法。并将两析颖的、结构简单的光纤传感网络埋入教－１１飞机的层合复合材料垂直尾翼试件内,对结构内应变,应力以及由于外部冲击造成的损伤等状态参数进行检测,实验结果显示了该方法的可行性。     

一种监测钢筋腐蚀的光纤光栅传感器的研究

钢筋腐蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性劣化的最重要因素之一。钢筋腐蚀将导致钢筋体积大大增加,混凝土保护层开裂、剥落,结构承载力下降,甚至倒塌。基于光纤布拉格光栅应变传感器的原理,根据钢筋腐蚀体积膨胀,提出了一种新的钢筋腐蚀光纤光栅传感器及温度补偿方法。传感器构造是在两根紧靠的钢筋中心附近粘贴光纤光栅,由于钢筋腐蚀体积膨胀,钢筋直径增加将转变成布拉格光纤光栅的应变,从而实现对钢筋腐蚀程度及速率的监测。传感器的监测原理是设置一个钢筋腐蚀光纤光栅传感器来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变,同时单独设置一个不锈钢光纤光栅传感器来测量温度引起的光栅应变。这两个光纤光栅传感器的应变监测,可分离出钢筋由于腐蚀所引起的体积变化。在混凝土结构中埋入封装的传感器,通过监测光纤光栅波长的漂移可以直接测量钢筋腐蚀程度,而且不受腐蚀因素的影响,可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测。最后通过实验标定了钢筋腐蚀率与光栅波长位移的关系。     

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。     

埋入式光纤Bragg光栅应变传感器在隧道二次衬砌中的监测研究

隧道二次衬砌性能劣化是影响隧道健康运营的主要病害,对隧道二次衬砌进行监测是保证隧道健康运营的重要手段。应用埋入式光纤Bragg光栅应变传感器深入研究了隧道二次衬砌的变化。通过FBG(Fiber Bragg Grating)传感器在隧道内的布设及温度补偿技术,对隧道断面的应变变化情况进行了分析。结果表明,数据的曲线走势在一定程度上反映了隧道二次衬砌的变化,为进一步的病害预报提供了有效的支持。     

隧道二次衬砌监测的非线性回归分析研究

隧道二次衬砌性能劣化是影响隧道健康运营的主要病害,利用光纤通信技术对二次衬砌进行结构安全性分析,是保证隧道工程健康运营的重要手段。以埋入式光纤Bragg光栅应变传感器对田心隧道二次衬砌监测的实际数据为依据,选择最佳的典型函数模型对隧道的监测数据进行非线性回归分析,得出能够反映应变发展变化趋势的回归曲线,预测支护结构(监测点)的应变趋势,判断支护效果,对隧道支护结构当前的和最终的稳定性进行分析,从而实现对隧道结构部的稳定性判断。     

隧道二次衬砌监测的非线性回归分析研究

隧道二次衬砌性能劣化是影响隧道健康运营的主要病害,利用光纤通信技术对二次衬砌进行结构安全性分析,是保证隧道工程健康运营的重要手段。以埋入式光纤Bragg光栅应变传感器对田心隧道二次衬砌监测的实际数据为依据,选择最佳的典型函数模型对隧道的监测数据进行非线性回归分析,得出能够反映应变发展变化趋势的回归曲线,预测支护结构(监测点)的应变趋势,判断支护效果,对隧道支护结构当前的和最终的稳定性进行分析,从而实现对隧道结构部的稳定性判断。     

光纤法布里-珀罗干涉式应变的测量

本文采用在一段单模光纤两端镀膜的方法构成不对称光纤法布里-珀罗干涉腔,导出此干涉腔反射光的数学模型,给出干涉腔与光纤连接构成干涉式光纤应变传感器的一般理论和测量方法。文中传感器采用低反射率的法布里一纳罗腔以改善光纤应变传感器的线性。输入、输出在同一侧便于使用;与电阻应变传感器相比精度高、适用范围广。     

基于纳米覆膜光纤F-P传感器的折射率光谱特性

采用层层组装和化学共价交联的方法对光纤Fabry-Perot (F-P)干涉传感器的端面进行了纳米聚电介质覆膜修饰,并实验研究了覆膜后传感器的折射率响应光谱特性。选择聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)为纳米覆膜材料,随着覆膜层数的增加,光纤F-P传感器的反射谱对比度呈现由高到低,再到高的规律,且反射谱对比度具有良好的温度稳定性。选取覆膜层数为20双层的光纤F-P传感器对一系列浓度的蔗糖和无机溶液进行了折射率光谱响应测试,实验测得折射率检测拐点由1.457延伸至1.4623,对低折射率物质的折射率灵敏度为24.53 dB·RI-1,对高折射率物质的折射率灵敏度为3.60 dB·RI-1,且均具有良好的线性。研究结果为光纤F-P传感器对低折射率物质的功能化检测提供了新方法。     

微型化光纤法布里-珀罗传感器腔长一致性的控制研究

研究了光纤法布里-珀罗腔传感器的腔长一致性的控制技术.通过三维调整架组成微调装置来控制全光纤法布里-珀罗腔的腔长;结合法布里-珀罗腔的工作原理,利用光谱分析仪实时检测加工过程中法布里-珀罗腔的腔长并用装置予以修正;以热熔接的方法将毛细玻璃管与光纤加工成法布里-珀罗腔;利用超景深光学显微系统检查加工的法布里-珀罗腔的关键部位的结构,并对熔接点的牢固性进行了检测.实验结果和数据分析显示:法布里-珀罗腔的腔长得到了较好的控制及一致性,熔接部位的变形和对法布里-珀罗腔的性能的影响也很小.该工艺可用于制备全光纤法布里-珀罗腔传感器.     

光源光谱对光纤法布里珀罗应变传感系统的影响

从多光束干涉的基本原理出发 ,分析了光源光谱对光纤法布里珀罗应变传感系统的影响。通过分析发现光源光谱的高斯分布会使光纤法布里珀罗应变传感系统产生测量误差 ,并从理论上推导出了这种误差的计算公式 ;通过计算机仿真发现光源的影响使应变测量结果出现了连续周期性的跳变 ,并通过实验验证了这种变化规律。     

基于157 nm激光制作的微光纤F-P折射率传感器

分析了157 nm激光制作的光纤法珀折射率传感器的传感特性.采用干涉条纹计数的方法对法珀腔的反射光谱进行解调,避免了光强波动的影响,同时具有较宽的折射率(RI)范围.在0~70℃范围内25 μm的法珀腔腔长变化量为6.25 nm,等效折射率变化为~2.46×10－4.常温下对折射率范围为1.33~1.427的甘油（丙三醇）溶液进行了测量,实验结果曲线的相关系数为0.9951,测量准确度为~3.70×10－4.     

Asymmetric Fabry-Pérot interferometric cavity for fiber optical sensors

Good linearity and wide dynamic range are the advantages of asymmetric Fabry-Pérot (F-P) interferometric cavity, whose realization has been long for. Based on optical thin film characteristic matrix theory, an asymmetric F-P interferometric cavity with good linearity and wide dynamic range is designed. And by choosing the material of two different thin metallic layers, the asymmetric F-P interferometric cavity is successfully fabricated. The design theory and method of this asymmetric F-P interferometric cavity have been described in detailed. In this paper an asymmetric F-P interferometric cavity used in fiber optical sensor is reported.     

基于反射光谱特征辨识的光纤气压与温度集成监测方法

针对飞行器机载环境多参量综合测试需求,研究了一种基于反射光谱特征辨识的光纤布拉格光栅(FBG)气压与温度集成监测方法,给出了基于膜片式结构的双参量传感机理及其理论模型。采用基于耦合模理论的OptiGrating软件,得到不同气压与温度条件下光纤布拉格光栅传感器仿真反射光谱。在此基础上,借助弹塑性和恢复性能优良的平膜片感压机构,构建了膜片式双光纤气压/温度集成监测模型。研究表明,恒温条件下应变传感光纤光栅反射光谱随气压增加而逐渐向短波方向偏移,其中心波长灵敏度约为0.803 0 nm·MPa-1,且反射谱主峰及其旁瓣峰值均随气压变化呈现良好线性关系;当气压恒定而温度变化时,处于仅感温不受力状态的温度传感光纤光栅反射光谱中心波长灵敏度约为9.39 pm·℃-1;当气压与温度交叉变化时,能够实现对变温条件下的微小气压变化实时监测。传感光纤光栅受非均匀应变效应反射光谱存在一定啁啾现象,其反射光谱旁瓣峰值波长随环境温度、气压变化均会发生偏移,具有良好线性关系,且在不同气压下反射光谱对应的同一阶数旁瓣峰值幅度相等。该研究能够为航空航天器系统多物理参量在线综合测试提供有益帮助。     

一种基于光纤光栅法布里-珀罗腔的低频振动传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的低频振动传感方案并进行了理论分析和实验研究。采用单频激光器作为光源,光纤光栅F-P腔通过两点涂胶方式粘接在等强度悬臂梁上,待测振动信号通过支架和悬臂梁将振动作用传至光纤光栅F-P腔,引起腔长周期性变化,从而改变光纤光栅F-P腔的反射光谱特性,通过解调输出光信号的振荡频率和峰值,即可实现对振动信号频率和幅值的测量。利用压电陶瓷模拟的低频振动信号进行了实验验证,测量结果与理论分析相吻合。该传感器测量灵敏度高,特别适用于微弱振动信号的测量。     

基于光谱特征分析的光纤光栅腐蚀传感器研究

针对航空航天领域铝合金结构服役过程腐蚀监测需求,提出了一种基于铝质细管结构的预载荷型光纤光栅腐蚀传感器。给出了铝合金结构腐蚀在役监测机理,得到光纤光栅反射光谱特征与铝质细管厚度变化之间的理论关系模型,构建了酸碱环境下的光纤光栅腐蚀监测试验系统。通过在细管内部配置不受力且仅感受温度变化的光纤光栅传感器,解决了被测目标的温度与应力交叉敏感问题。研究表明,这种铝质细管封装设计不仅可以感受腐蚀对其力学性能的影响,还能够屏蔽外界腐蚀因素对管内光纤感知器件的干扰。随着金属管腐蚀程度加深,其管壁逐渐变薄,光纤光栅反射光谱逐渐向短波长方向偏移,且管壁厚度变化与光栅中心波长偏移量之间呈较好单调关系。这些特性能够为进一步开展基于光纤感知器件的机械结构在役腐蚀监测研究提供有益帮助。