桥式起重机模型挠度的光纤Bragg光栅试验研究

研制了1种利用光纤Bragg光栅对桥式起重机主梁挠度的实时在线监测模型。光纤Bragg光栅均匀粘贴于桥式起重机主梁,通过输入输出光纤与信号处理装置光连接。小车在主梁上吊挂后使主梁产生挠度,主梁作用粘贴其下表面的光纤Bragg光栅产生应变,即传感光栅的Bragg波长产生移位。利用解调仪得到的光纤Bragg光栅中心波长的移位值,反复计算挠度值,实现波长与挠度的对应关系。     

利用光纤双折射效应实现应变和温度同时测量

提出了用相位掩模技术在双折射光纤上刻制光纤Bragg光栅的方法.由于光纤Bragg光栅的双折射效应,当有温度和应变的影响时,可观察到分别对应于快轴和慢轴的光纤光栅反射波中心波长的分离,可得到的最大差值为0.66nm.中心波长的差值随着温度和应变的变化而变化.这种光纤Bragg光栅可实现温度和应变的同时测量.     

基于Bragg光栅交叉法在温度补偿中的研究

设计了一种双光纤Bragg光栅交叉粘贴方案来解决光纤Bragg光栅对温度、应变交叉敏感的问题,利用该方案对光纤Bragg光栅应变测量时进行温度补偿.对方案的补偿原理进行了分析,可知当两光栅粘贴的夹角不同时,应变的灵敏度也不同,通过数值计算得出:两夹角为90°时,应变灵敏度达到最高.然后,对该方案进行了可行性实验验证,最终得出结论:设计的方案可以有效地对光纤Bragg光栅在应变测量时进行温度补偿,降低了温度的变化对光纤Bragg光栅反射波长漂移量的严重影响,证明了方案的可行性.     

光纤傅里叶变换光谱术在光纤光栅传感解调中的应用

介绍了光纤Mach-Zehnder干涉仪的基本原理和光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)的结构;基于光纤Mach-Zehnder干涉仪,采用傅里叶变换光谱算法对光纤Bragg光栅传感器的波长进行了解调。宽带光源发出的光经过光纤耦合器进入光纤Bragg光栅,其反射光由耦合器返回进入到FFTS中进行测量,FFTS的最高光谱分辨率达到0.05 cm-1,即在近红外1 550 nm波长处分辨率为0.012 nm。分别对光纤Bragg光栅的应变特性和温度特性进行了测量。测量显示:光纤Bragg光栅的应变灵敏度为0.833 pm/με,温度灵敏度为19.78 pm/℃。得到的结果表明FFTS系统具有高分辨率、大测量范围的特点,可满足光纤Bragg光栅传感器波长解调的需求。     

分离应变和温度的差动式光纤Bragg光栅传感器

作为传感元件，被光纤Bragg光栅测量的物理量的信息是一种波长编码的绝对测量，然而，其本质的限制是对多变量的交叉敏感。实验表明：温度波动严重干扰了应变式光纤Bragg光栅传感器的测量，拉、压应变的标准误差为0.21mn和0．20mn．根据粘贴于悬臂梁上、下表面的光纤光栅的Bragg波长响应温度和应变的差异，分离了应变和温度的耦合信号，拉、压应变的标准误差降低到了0．005mn和0．20nm．根据粘贴于悬臂梁上、下表面的光纤光栅的Bragg波长响应温度和应变的差异，分离了应变和温度的耦合信号，拉、压应变的标准误差降低到了0．05mn和0．07mn．值得注意地是：在该机械补偿方案中，温度检测不是必需的。     

光纤Bragg光栅靶式流量传感器设计

基于工业流体流量测量技术、光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感检测技术与靶式流量计原理,针对单个光纤Bragg光栅传感系统对温度交叉敏感的问题,设计并且制作了一种基于双光纤Bragg光栅流量传感器。该传感器采用靶盘结构作为光纤Bragg光栅流量传感器的受力元件,对温度起到了补偿作用,并且有效地提高了应变测量灵敏度。实验表明,该流量传感器的线性误差为0.31%。     

基于FBG的明渠流量计的研究与应用

研制了一种新型的菱形结构光纤Bragg光栅应变传感器.采用有限元方法分析了该结构的力学性能.将该传感器与巴歇尔槽联合使用,用于液体流量的实时在线监测,实验研究了这种封装形式的应变特性.采用光纤布拉格光栅网络分析仪,测量了菱形应变化传感器的波长和应变变化量,测得其应变系数为630.45 mm/nm,且线性度达到0.999 8.     

光纤Bragg光栅温度和应变传感特性的试验研究

在光纤Bragg光栅传感原理的理论分析基础上,采用保温装置和等强梁结构对其温度和应变传感特性进行了试验研究,并做了试验结果的误差分析.其结果表明光纤光栅的Bragg波长随温度和轴向应变的变化呈现出良好的线性关系,且重复性较好.试验测得的温度灵敏系数升温时约为9.54 pm/℃,降温时约为9.53 pm/℃,理论计算值约为9.72 pm/℃;应变灵敏系数加载时约为1.006 pm/με,卸载时约为1.005 pm/με,理论计算值约为1.011 pm/℃;其试验值与理论计算值吻合得很好.同时介绍了一种简单实用的温度补偿技术,得出了考虑温度补偿后的实际应变与光栅波长的关系式,并采用焊接应力在线监测试验对其温度和应变传感特性的标定值进行了验证,为光纤Bragg光栅在铝合金工程结构中进行温度和应变监测提供了理论依据和试验数据,对光纤Bragg光栅传感测量的工程应用具有借鉴作用和重要意义.     

便携式光纤Bragg光栅波长解调仪的研制

近年来光纤光栅在传感领域中的应用研究日益得到关注，其中光纤光栅波长解调是光纤光栅传感器得到应用推广的关键之一。针对大型建筑结构监测应用领域，研制了一种便携式光纤Bragg光栅波长解调仪。解调仪基于无源比例解调原理，以熔融拉锥器件作为线性滤波器，采用锁相放大技术提取微弱信号，并利用单片机控制光纤Bragg光栅波长信息的采集、显示以及存储。解调仪结构简单、成本低，可实现大量程波长测量。实验表明，该光纤光栅解调仪解调范围达15nm，波长测量精度为12．4pm。     

楔块调整式Talbot干涉仪的光学设计

为改变光纤光栅的写入Bragg波长,研制了包括一块相位模板和两块紫外反射平面镜的楔块调整式Talbot干涉仪。在写入光纤Bragg光栅的过程中,通过调整两平面镜的反射角度可改变由±1级衍射光束经两平面镜反射后形成的干涉条纹的周期。最后,放置在可调谐干涉区的光纤就可刻写成具有不同写入Bragg波长的光纤光栅。值得注意的是通过选择不同倾斜角α的楔形块,决定了光纤光栅的写入Bragg波长的改变率和干涉条纹棱脊位置的位移率。     

一种基于光纤光栅新型位移传感器的研究

介绍了一种应用光纤光栅传感器测量狭窄曲面空间位移的方法.随着外界应力的变化,光纤光栅传感器的中心发射波长将发生相应的移动.利用此特性,提出并实现了一种用光纤光栅作为敏感元件测量狭窄曲面空间位移的方法,解决了特殊场合狭窄曲面空间位移的测量存在许多难以解决的问题,并对实验结果进行数据分析.     

基于桥梁结构的FBG传感器温度与应变交叉敏感问题的研究

对光纤布拉格光栅(FBG)传感器在桥梁结构健康监测中产生的温度与应变交叉敏感问题进行了研究。采用参考光纤光栅法在应变传感光纤光栅附近额外加入一个温度测量光纤光栅,对应变光栅实现温度补偿功能。设计了基于参考光纤光栅法的FBG传感器及FBG传感器封装的机械结构,并通过实验来验证FBG传感器的性能。实验数据表明,温度传感光纤光栅几乎不受应变的影响,应变传感光栅的中心波长变化与温度变化呈一阶线性关系,修正后的测量结果更加精确,达到了双参数同时测量的目的,应变与布拉格波长的线性关系非常好,相关系数达到0.99以上。参考光纤光栅法能够很好地解决FBG传感器温度与应变交叉敏感的问题。     

Measurement of CFRP elastic modulus based on FBG reflectance spectrum analysis

Based on fiber Bragg grating (FBG) reflectance spectrum analysis, one novel method to measure the elastic modulus of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) is proposed. Basic theory of the novel method is that CFRP uniform cantilever beam produces linear gradient strain which leads to FBG reflectance spectrum broadening under external loadings. Calculation model of the basic theory is put forward and validated by finite element method (FEM) simulation. In order to obtain actual data about the relationship between elastic modulus and FBG reflectance spectrum, experiment of CFRP uniform cantilever beam under external loadings is implemented. The experiment spectrum corresponding to external weight 20 g is chosen as the specimen to explain data processing procedure by self-adaptive method. 3 dB bandwidth and center wavelength of FBG are selected as the reference indexes in the procedure. Elastic modulus of CFRP which is used in the experiment is extracted and its value is 6.617 GPa. To validate the correctness of the elastic modulus, contrastive analyses between transmission matrix theory calculation and experiment spectrums with external weights 5 g and 10 g are also carried out. Absolute errors of 3 dB bandwidth and center wavelength in the comparison are all less than 5 pm which prove the feasibility and correctness of this novel elastic modulus measurement method.     

倾斜光纤光栅周期对其透射谱的影响

倾斜光纤光栅作为一种特殊结构的光纤光栅,近年来受到了研究人员的广泛关注。基于模式耦合理论,仿真研究了光栅周期对倾斜光纤光栅透射谱的影响规律。研究结果表明,纤芯导模与包层模的波长差和光栅周期之间存在良好的线性关系。利用这一结论可提高倾斜光纤光栅在应变测量中的灵敏度和检测精度,且能够实现单光纤多测量的目的。     

利用超短FBG光谱线性区的传感解调系统

为了研究一种星载光纤光栅传感解调系统,通过高掺锗光纤载氢增敏和优化紫外曝光功率,实现了栅区长度小于0.5mm,反射率大于40%,3dB带宽大于5nm,反射谱边缘有效线性区域大于2nm的超短光纤光栅的写制。提出了一种将超短FBG作为传感器件,利用其光谱线性区进行传感解调的方法。将中心波长位于光谱线性区域的稳频激光入射到超短光纤光栅,随着超短光纤光栅光谱的漂移,反射光的功率随之变化。由于稳频激光位于线性区域,返回光功率与光谱漂移量呈线性关系,因而可实现传感测量。将该系统用于应变和温度的测量,结果表明,光功率随应变、温度变化具有较好的线性关系,线性度分别为0.997和0.999,灵敏度分别为54.59nW/με和230nW/℃。该方法可用于温度及应变的精确测量,并且具有结构简单、功耗小、测量空间分辨率高等潜在优势。     

高精度弓型光纤光栅微位移传感器

为了测量控机床结构件、微加工工作台的微小变形量,设计了一种高精度弓型光纤布拉格光栅(FBG)微位移传感器。将光纤布拉格光栅的栅区部分粘贴在弓型上下壁处,当弓形件发生变形时,可测出上下壁的应变值,从而测得位移值并进行温度解耦。实验结果表明,在量程为1mm时,传感器的灵敏度为2.02pm/μm,线性相关系数为0.998 3,实验的迟滞误差为4.08%,重复性误差为4.08%。在温度补偿实验中可以看出,当温度上升1℃,波长漂移量不到1pm。类似于弓型结构衍生出一种半弓型结构的位移传感器。两类传感器相比,弓型传感器的温度灵敏度比半弓型传感器小0.001 5pm/μm,温度补偿效果更好;但半弓型传感器的线性度为0.4%,线性度比弓型传感器好。两种传感器均满足测量值稳定可靠、精度高、抗电磁干扰能力强,温度不敏感等要求。     

光纤光栅空分光复用传感系统的研究

介绍了一种光纤光栅空分复用传感系统,并将光纤光栅的传感特性应用于结构健康检测系统中。宽带光源发出的光波进入光栅阵列时,利用光开关选通不同光路实现FBG空分复用传感系统。系统采用等腰三角形悬臂梁调谐装置对FBG进行挠度加载,利用非平衡M-Z干涉技术对传感信息进行解调,将包含被测应变信息的FBG波长信号转变成相位信号,从而得到被测应变的大小,成功地实现了空分复用传感。该系统可用于静态应变和动态应变的检测,具有高分辨力、大测量范围的特点,其传感分辨率为7.3 nε,灵敏度的实验值为0.82°/με。     

利用双光杠杆测量非等截面光纤布拉格光栅传感器的应变系数

使用单个光杠杆监测传感器应变时,传感器两端的被夹持部位受力后易与电子万能试验机的夹持器产生滑移。为了消除滑移影响以提高测试精度,本文使用两套光杠杆建立了测量弹性受力部位呈非等截面的光纤布拉格光栅(FBG)传感器等效应变系数ηεeff的实验测量系统。测试时,将两套光杠杆的平面反射镜分别安放在传感器弹性受力部位两侧的固定端端面上,测量出两个固定端在受力变形后的相对位移和相应的FBG中心波长变化量。然后,使用曲线拟合法和累加均值法对实验测得的数据进行处理来获得ηεeff。建立了仿真模型,得到了ηεeff预估值并与实测值进行了对比。结果显示:实验测得的ηεeff为0.681 7με/pm,精度为0.91%,与仿真获得的预估值0.672 0με/pm相差仅为1.42%。该方法满足了准确测量非等截面结构FBG传感器应变系数的要求。     

光纤布拉格光栅传感分析仪

提出了一种基于FPGA与DSP平台的光纤布拉格光栅传感分析仪,将外界参量的变化转化为光纤布拉格光栅波长的偏移,通过数据采集、过滤杂波、信号波峰检测、高斯曲线拟合以及加权波长计算等关键步骤来实现波长解调技术,进而完成温度、应变、压力或位移等对象的在线测量,并且可以实现光纤线路故障分析与定位的功能.实验结果表明:该系统功耗低、线性度好、波长解调精度与分辨率较高.经过长期测试,系统软硬件运行稳定可靠.