光纤光栅温度传感器增敏封装特性研究

通过利用聚酰亚胺涂覆裸光纤光栅的方法研制了一种增敏型光纤光栅温度传感器,其反射波长的温度敏感系数由曾敏前的10pm/℃提升至40pm/℃。在-40~200℃测试环境中,开展了传感器标定和温度精度测量试验。试验结果表明:利用光纤光栅增敏封装,在高低温环境中采用低精度光纤光栅解调仪,传感器的测温精度由±0.4℃提升至±0.1℃。上述结果显示,采用增敏封装结构能够提升光纤光栅温度传感器的测量精度,减低制作成本。     

卫星镜头结构光纤光栅温度传感器研究

为了解决卫星星敏感器光学镜头结构在轨温度监测问题,提出一种弧形基底封装的光纤光栅温度传感器。分析了星敏镜头结构特征与光纤光栅温度传感原理,采用飞秒激光刻写的光纤光栅作为敏感元件,设计了可贴合于星敏镜头结构特征的弧形封装基底,完成了光纤光栅温度传感器封装,并对传感器进行了拉伸测试、温度标定及温度重复性测试,并已应用于实际工程中。结果表明:弧形封装结构形式的光纤光栅温度传感器线性度可达0.998,温度灵敏度达到8.54 pm/℃,同一温度下中心波长变化量在2 pm以内,且受弧形基底封装结构变形产生的应变影响小。卫星在轨温度监测,光纤光栅传感与电子式传感相差±3 ℃。可以实现星敏镜头结构的温度测量功能,在星敏感器结构在轨温度测温中具有应用前景。     

高灵敏度长周期光纤光栅温度传感器的研究

采用纤芯弹光系数大于包层弹光系数的长周期光纤光栅,且在其包层外面涂覆一层随温度升高折射率减小的薄膜材料,同时采用线膨胀系数较大的金属封装光栅等三种增敏措施,可提高长周期光纤光栅温度传感器的灵敏度,测得其灵敏度系数为0.237 5 nm/℃,温度分辨率小于0.1 ℃.     

低碳钢薄板TIG焊热影响区温度光纤光栅测量

为了对焊接热影响区温度和应变的实时测量及控制,以光纤光栅作为传感器对低碳钢薄板的TIG焊热影响区进行了温度场网络测量.采用金属化保护的方法对裸光栅进行了保护和温度增敏;测量并标定了金属化光纤光栅的温度特性;采用光纤光栅和传统的热电偶进行了单点测温,并进行了对比分析;对经历了焊接热影响区高温的光纤光栅进行了温度特性分析.进行了多点温度的网络测量;分析了光纤光栅测量焊接温度和变形存在的问题;提出并设计了一种基于光纤Bragg光栅的焊接应变、温度同时测量的方法和多点测量系统.     

FBG封装材料热膨胀系数对温度传感精度的影响

光纤光栅温度传感器的增敏封装技术是促进其工程化的关键,其中增敏材料的参数特性决定了传感器的精度。讨论了奥氏体不锈钢304材料的热膨胀系数特性,研究了其热膨胀系数随温度变化的关系,分析了线性热膨胀系数对光纤布拉格光栅(FBG)温度传感公式的影响,提出用二次多项式拟合方法修正开槽钢柱封装的FBG温度系数,并搭建系统进行了实验验证。结果表明:同一温度下,实测的传感器中心波长值与采用固定热膨胀系数下的波长值相差较大,且温度越高二者差值越大,100℃时达0.075nm,温度偏差2.58℃;而实测中心波长值与采用线性热膨胀系数下的中心波长值基本一致,二者的二次多项式拟合优度达0.9999。因此,考虑封装材料的热膨胀系数变化特性,采用二次拟合方法将大大提高传感器的测量精度,适用于对温度传感精度要求较高的场合。     

超短腔光纤法布里-珀罗低温传感技术研究

针对低温大范围高灵敏温度测量需求,提出一种适用于低温环境测量的光纤法布里-珀罗腔温度传感器,并实验研究传感器的响应特性。超短空气腔法布里-珀罗温度传感器由外径0.3 mm的石英毛细管和单模光纤构成,利用高热膨胀系数的材料作为腔镜的一个反射面提高空气腔的温度灵敏度,理论分析了法布里-珀罗干涉仪的温度传感原理,以及温度灵敏度的影响因素,并分析不同级次对灵敏度的影响。研制了大自由谱低温高灵敏度传感器,实验结果表明,传感器在-40℃至-10℃的温度范围内具有较好的温度响应特性,相应的灵敏度为-2.066 nm/℃,线性拟合度为0.9697,理论分辨率为±0.0005℃。传感器具有体积小、灵敏度高和测量范围大等优点,在低温传感领域具有潜在的应用价值。     

超短腔光纤法布里-珀罗低温传感技术研究

针对低温大范围高灵敏温度测量需求,提出一种适用于低温环境测量的光纤法布里-珀罗腔温度传感器,并实验研究传感器的响应特性。超短空气腔法布里-珀罗温度传感器由外径0.3 mm的石英毛细管和单模光纤构成,利用高热膨胀系数的材料作为腔镜的一个反射面提高空气腔的温度灵敏度,理论分析了法布里-珀罗干涉仪的温度传感原理,以及温度灵敏度的影响因素,并分析不同级次对灵敏度的影响。研制了大自由谱低温高灵敏度传感器,实验结果表明,传感器在-40℃至-10℃的温度范围内具有较好的温度响应特性,相应的灵敏度为-2.066 nm/℃,线性拟合度为0.9697,理论分辨率为±0.0005℃。传感器具有体积小、灵敏度高和测量范围大等优点,在低温传感领域具有潜在的应用价值。     

基于光纤光栅传感器的海水入侵温度测量系统

近年来海水入侵造成各地沿海滩涂出现了大面积生态退化,对滩涂温度的有效测量有利于监控滩涂海水入侵的情况解决生态平衡问题;通过对光纤光栅结构的特殊设计解决了基底热胀冷缩产生的应变对温度的测量,实现了传感器的解耦;光纤光栅传感器的重复性实验和标定实验,结果表明温度传感器的灵敏度在10.21 pm/℃以上,线性度达到了99 %以上,精度为0.2 ℃,分辨率达到0.1 ℃,传感器具有良好的性能;在现场试验中,将3个光纤光栅传感器串联组成2000 m的传感器系统对滩涂的温度进行测量,数据表明该传感器可以在实际温度测量中进行使用。     

高精度准分布式光纤光栅传感系统的研究

利用一个经过温度补偿封装的长周期光纤光栅解调系统中所有测量点的传感光栅的波长漂移,实现了实时、高效解调的准分布式测量.理论研究表明该系统适用于对温度、应变等参量的多布点准分布式测量.并以温度为例从实验上研究了高精度的准分布式光纤光栅传感系统.通过改善每个测量点的测量精度来提高整体系统的测量精度.利用金属槽对传感光纤布喇格光栅进行增温敏封装,使其温度灵敏系数比普通裸光栅提高了3.6倍,并利用经过温度增敏封装的光栅作为传感元件,在110℃(-50 ℃-60 ℃)的动态范围内实现了精度为0.04- ℃的多布点准分布式温度测量,理论分析与实验结果一致.     

卫星环境温度监测的光纤光栅传感器研究

针对航天行业太空环境下对卫星内部温度监测的需求,研制了一种直接测量卫星内部温度的光纤光栅温度传感器。通过对传感器的结构进行了优化设计,选择一种新型的封装工艺,解决了温度、应变交叉敏感问题。选取相同封装条件的3个光纤光栅温度传感器进行温度标定。结果表明,在0～60 ℃范围内,光纤光栅温度传感器灵敏度分别为9.26 pm/ ℃、9.60 pm/ ℃、9.47 pm/ ℃,精度为1 pm,温度分辨率达到了0.1 ℃,线性度均达到0.998以上,具有良好的重复性与一致性,可应用于卫星内部温度的实时监测。