光纤F-P腔高灵敏加速度传感器理论模型研究

以提高光纤波长复用型加速度传感器的灵敏度为目标,分析光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)加速度传感器的增敏思路,阐明FBG加速度传感器灵敏度的增敏瓶颈和固有制约因素,提出波长复用型光纤法布里-珀罗(Fabry-Pérot, F-P)加速度传感器物理模型,理论研究其加速度传感原理,推导加速度传感器谐振频率和灵敏度的解析表达式,深入分析系统的结构体刚度、干涉级次、腔长对加速度传感器灵敏度和谐振频率的影响因素,并对比分析在不同系统刚度下FBG和F-P加速度传感器的灵敏度响应特性。由于灵敏度与谐振频率相互制约,进一步引入品质因子对比分析FBG和F-P加速度传感器的综合性能。在谐振频率为205 Hz时,传感器灵敏度高达198 nm/G,比基于FBG的传感器灵敏度理论上高出约2个数量级,并提出F-P型加速度传感器波长复用方案。理论分析表明F-P型加速度传感器与FBG型相比具有独特的优势,为光纤型加速度传感器的增敏和波长复用提供了新思路,并奠定理论基础。     

高灵敏抗冲击光纤光栅微振动传感器

针对高灵敏度的光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器的抗冲击可靠性,设计了一种具有限振结构的双悬臂梁型FBG振动传感器,理论分析了结构参数与灵敏度和振动位移的关系,进行了结构优化,确定了限振幅度。制作了限振幅度约为90m的传感器样品,对传感器的加速度灵敏、频率响应、抗冲击性能进行了测试,结果表明,传感器的加速度灵敏度达到525 pm/g,谐振频率约为66 Hz,传感器经过50 g反复冲击,频响特性具有良好重复性,表明传感器具有较高的可靠性。     

一体式光纤光栅三维加速度传感器

提出了一种基于光纤光栅(FBG)的一体式三维加速度传感器.该传感器以十字梁为弹性体,采用有限元分析方法研究了弹性体的应变分布特征,5个光纤光栅按照特定的规则被封装在梁的表面.通过将两两组合的光纤光栅波长漂移量的差值作为传感器不同振动方向的输出信号,实现三维加速度的低耦合测量及温度补偿.振动测试结果表明,该传感器在x、y和z方向的谐振频率分别为2000,1920,1160 Hz,工作频带分别为20～1400 Hz、20～1300 Hz和10～800 Hz,在x、y和z方向的灵敏度分别为1.36,1.70,1.31 pm/g.该传感器具有良好的线性度、弱耦合性和温度补偿能力.     

光纤光栅二维加速度传感器

提出了一种基于"钢管-质量块"弹性结构体的光纤光栅(FBG)加速度传感器,4个光纤光栅粘贴在质量块一侧的钢管表面应变的最大处,光栅分布在沿钢管圆周呈90°方位角的位置上,粘贴方向沿钢管的轴向。通过两两组合的光栅对的波长变化量的差值感测弹性结构体不同方向的振动加速度,实现二维测量及温度补偿。使用有限元软件进一步分析说明了传感器的测量原理及谐振频率。传感器性能参数测试结果表明,该传感器谐振频率为515Hz,与有限元分析结果基本吻合,灵敏度为0.88pm·m-1·s2,加速度测量范围为15～75m/s2;传感器二维振动测试结果良好,具备较好的抗干扰振动能力。     

光纤布拉格光栅加速度传感器研究进展

基于光纤光栅原理的加速度传感器是近年来土木、机电和航空航天等领域研究的热点。简要介绍了基于光纤布拉格光栅(FBG)的加速度传感器的基本工作原理及力学模型,重点阐述了国内外基于光纤光栅的不同结构原理的加速度传感器最新研究进展。按工作频率范围的高低,先后介绍了用于低频和高频测量的加速度传感器的开发研究现状,并介绍了用于多维加速度方向测量的光纤光栅传感器的发展现状,最后对光纤光栅加速度传感器的发展作进一步展望。     

基于L型悬臂梁的光纤光栅加速度传感器

为了测量低频小信号,提出了一种基于L型悬臂梁的光纤光栅(FBG)加速度传感器, 并进行了理论分析,推导出了其灵敏度及谐振频率表达公式。为了得出结构的最优参数,根 据理论公式进行了仿真分析得出仿真曲线。根据仿真曲线,选定传感器各个参数,制作出传 感器实物,分别对传感器灵敏度幅频响应,线性响应及横向抗干扰性进行了实验测试,实验 测试出传感器谐振频率280 Hz,在充装硅油阻尼后测量带宽为1Hz－ 240 Hz,测量带宽内响应 曲线平坦度在±1.5 dB以内,灵敏度可达到52 pm/g,线性相关性为99.97%,与理论谐振频 率290 Hz,灵敏度59 pm/g较吻合,表明了理 论分析的正确性,同时传感器具有较好的横向 抗干扰性,横向抗干扰性为4.2%,研究表明此传感器可以应用于低频 小信号场合的振动测试。     

一种布拉格光纤光栅加速度传感器

本文介绍了一种基于布拉格光纤光栅 (FBG)的加速度传感器设计。为了克服等截面悬臂梁的局限性 ,该设计采用等强度悬臂梁的形式。结果表明 :该种光纤加速度传感器具有良好的稳定性和较高的分辨率 (0 .0 0 5g) ,适合海洋平台等大型工程结构的加速度测量。     

新型簧片式光纤加速度传感器研究

研制了一种新型光纤加速度传感器。基于迈克尔逊干涉仪原理,采用了质量块和可 弯曲簧片结构,通过使用竖直 绕制传感光纤和横向绕制参考光纤的方式提高了加速度传感器的加速度灵敏度。实验测试了 其加速度灵敏度以及横向串扰。在簧片厚为1mm、质量块质量为208 g时,其加速度灵敏度 可达556rad/g(g为重力加速度);在噪声本底为10－4 rad/Hz 、加速度传感器工作频率为100Hz时,其可探测的最小加速度信号为 200ng/Hz(g为重力加速度)。采用该全金属结 构,传感器可更好地用于微弱信号检测。     

基于双光纤光栅的高灵敏度低频加速度传感器

针对低频振动信号的高精度测量需求,设计了一种基于双光纤光栅的变宽度椭圆铰链式低频加速度传感器.首先建立传感器的结构模型,理论分析了传感器的振动响应特性,给出该传感器的谐振频率及灵敏度的公式.随后搭建了传感单元的数学模型,对传感单元结构的关键尺寸参数进行了优化.另外,利用有限元仿真验证了理论分析结果,最后加工制作了传感器...     

光纤布拉格光栅加速度传感器研究进展北大核心CSCD

基于光纤光栅原理的加速度传感器是近年来土木、机电和航空航天等领域研究的热点。简要介绍了基于光纤布拉格光栅(FBG)的加速度传感器的基本工作原理及力学模型,重点阐述了国内外基于光纤光栅的不同结构原理的加速度传感器最新研究进展。按工作频率范围的高低,先后介绍了用于低频和高频测量的加速度传感器的开发研究现状,并介绍了用于多维加速度方向测量的光纤光栅传感器的发展现状,最后对光纤光栅加速度传感器的发展作进一步展望。     

一种新颖的高灵敏度光纤光栅压力传感器

提出一种双波纹管结构封装的高灵敏度光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器,从理论分析了该器件的传感机理。研究结果表明,该FBG压力传感器可实现0～1.2 KPa压力测量,灵敏度达到688.2 pm/kPa,线性拟合度达到0.9973,适用于液位小范围变化的高精度检测。     

基于膜片的光纤布拉格光栅压力传感器的研究

理论分析了光纤布拉格光栅的压力传感特性,给出了光纤布拉格光栅的中心波长与压力的关系以及压力灵敏度系数的表达式,并将光纤布拉格光栅纵向粘贴在自行设计型号为ZXYC01的平面膜片上进行了压力实验.实验结果表明光纤布拉格光栅压力灵敏度系数46 pm/MPa左右,其测量精度为0.5%F.S,而理论的压力灵敏度系数为51 pm/MPa左右,实验值和理论值基本相符,它们分别是裸光纤布拉格光栅压力灵敏度系数的23和26倍.同时发现光纤布拉格光栅的中心波长与压力变化有着良好的线性关系和很高的相关系数并且迟滞现象较小.     

光纤光栅传感器的压力增敏技术进展

光纤光栅传感器具有许多独特优点,但裸光纤光栅的压力灵敏度很低,给信号检测带来不便,并且裸光纤过于纤细容易损伤,使用中必须对其有效保护,因此有必要对光纤光栅传感器进行封装,既实现压力增敏,又保护光纤.针对这一问题,分类阐述了光纤光栅传感器封装工艺的最新进展情况,并对其优缺点进行了分析和讨论.     

基于倾斜光纤Bragg光栅的横向压力传感器研究

设计了一种基于4°倾斜光纤Bragg光栅(TFBG)和弹 性 材料的横向压力传感器。利用TFBG光谱对周围介质折射率响应的特性,实现了 对较低压力范围(0~7N)的线性测量。采 用快速傅里叶变换(FFT)方法对光谱进行解调,测量灵敏度可达1920 a.u./(N/mm),线性拟 合度为0.998。研究了不同弹性材料对测量灵敏度的影响,实现对测 量范围和测量灵 敏度的调谐。本文传感器工作在反射光谱方式,易于集成(光栅区长度仅5mm),可以植入弹 性材料内部用于协调接触压力的测量。     

光纤布拉格光栅的折射率传感研究

采用光纤布拉格光栅制备折射率传感器,研究光纤光栅的折射率传感灵敏度与其包层直径之间的关系。理论分析可得,光栅包层直径越小,Bragg波长的偏移量随环境折射率变化的影响越大,这样就能使实验中光栅所反射的LD光功率变化(传感灵敏度)越明显。利用氢氟酸溶液腐蚀光栅包层的方法,得到不同包层直径的光纤Bragg光栅折射率传感器。实验指出,包层直径减小时,光栅可传感的折射率范围会缩小,而其折射率的传感灵敏度却会增大,如包层直径为8.9 μm时,折射率的检测范围为1.3872~1.4730,其最大灵敏度值达到了224.0320 dBm/RIU。     

一种基于光纤布拉格光栅的金属腐蚀传感器

基于钢筋混凝土中钢筋锈蚀膨胀和光纤布拉格光 栅(FBG)应变测量原理,设计了一种新型的FBG金属腐蚀传感器。传感器由FBG腐蚀测量传 感器、FBG温度补偿传感器和带有通槽、凹槽、 通孔的钢筋件组成。FBG腐蚀测量传感器用于测量钢筋锈蚀引起的应变,FBG温度补偿传感器 用于消除温 度交叉敏感特性。钢筋件的通槽用环氧树脂填充后,把腐蚀测量传感器的FBG紧密缠绕在钢 筋件的表面, 并固定在环氧树脂固定点上。温度补偿传感器的FBG经过增敏处理后布置在通孔中。推导了 钢筋锈蚀率与FBG波长的理论计算公式;制作了用水泥砂浆封装的FBG金属 腐蚀传感器;最后在制作的混凝土试件上进行加速腐蚀实验,考核传感器的性能。实验结果 表明,设计的FBG 金属腐蚀传感器能够直接测量钢筋的锈蚀程度,并且具有较大的量程,可实现钢筋 混凝土结构中钢筋的 轻微锈蚀和较严重锈蚀情况监测,适用于建筑、桥梁和隧道等领域钢筋混凝土结构中钢 筋锈蚀的结构健康监测。     

基于倾斜光纤光栅的相对湿度传感器

提出了一种基于倾斜光纤光栅(TFBG)的包层上覆盖着聚乙烯醇(PVA)的空气相对湿度传感器,成功实现了对相对湿度在20～98%RH范围内的监测。研究发现,TFBG的透射功率在20～74%RH和74～98%RH2个相对湿度区域内分别呈现不同的线性变化,敏感度分别为2.52 dBm/%RH和14.95 dBm/%RH,并且在高湿度区有更高的敏感性。     

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。     

高灵敏度稳定光纤光栅温度传感器的研究

为了提高光纤Bragg光栅(FBG)的温度灵敏度,设计了一种双金属FBG温度增敏装置。增敏装置利用不同金属热胀系数的差异和巧妙的增敏结构,大幅度提高了FBG的温度灵敏度。从理论分析了增敏结构的增敏原理,并给出了波长温度响应关系式。使用此增敏装置制作了一种高灵敏度的FBG温度传感器。为了保证FBG长期固定的稳定性,在制作传感器时使用了低熔点玻璃焊接工艺。实验中,测得增敏FBG温度传感器的温度灵敏度系数达到345.9 pm/℃,是裸FBG的35倍,线性度为0.999 89。对增敏前和增敏后的FBG反射谱进行了对比,结果表明,增敏装置对FBG反射光的功率和反射谱的形状影响很小。对增敏FBG温度传感器的稳定性进行了测试,并用裸FBG作为参考,测试结果显示,增敏装置对FBG的稳定性没有造成影响。