光纤布拉格光栅动态响应特性的计算和分析

利用传输矩阵法和龙格-库塔法分析光纤布拉格光栅的反射谱和时延特性,无法得到输入信号变化时光栅的动态响应,本文针对这一情况,利用坐标变换结合有限差分求解耦合波方程,在此基础上计算了在忽略非线性效应的情况下光纤布拉格光栅在连续波与高斯脉冲输入的动态响应特性,可通过龙格-库塔法验证本算法的正确性。利用本文提出的方法可以分析输入信号在光纤光栅中的动态传输特性。     

线性啁啾光纤布喇格光栅反射谱的数值模拟

为了研究线性啁啾光纤布喇格光栅的特性,并进一步把它用于光纤激光器上,介绍了线性啁啾光纤布喇格光栅的耦合模理论,采用4阶Runge-Kutta法和传输矩阵法结合控制变量法,对线性啁啾光纤布喇格光栅反射率与啁啾系数、半峰全宽与光栅长度、反射率与直流纤芯折射率改变量之间的关系进行了数值模拟。结果表明,线性啁啾光纤布喇格光纤可以展宽带宽。基于这个结论,提出了利用线性啁啾光纤布喇格光栅作为光纤激光器腔镜,使输出谱线展宽,从而可作为宽带光源使用的方案。     

光纤布喇格光栅应力增敏理论研究

提出了一种光纤布喇格光栅应力增敏的模型,推导了该模型的应力与光纤布喇格光栅中心波长相对偏移量之间的关系,以及增敏后的光纤布喇格光栅应力响应灵敏度系数的表达式,给出了该增敏模型的弹性模量计算公式,指出通过适当选择弹性体的弹性模量和尺寸,可以提高光纤布喇格光栅应力响应灵敏度。     

光孤子在高斯变迹光栅中传输特性的数值分析

为了研究光纤光栅中布喇格孤子的传输特性,基于耦合波理论采用有限差分法在孤子传播速度与传输距离无关的条件下,数值模拟了布喇格孤子在高斯变迹光纤光栅中的传输以及孤子之间的相互作用,得到一些有意义的结果.结果表明,输入功率和初始脉宽等初始条件的不同将导致孤子峰值强度的周期变化;具有初始频率啁啾时布喇格孤子在传输过程中被展宽(正啁啾)或被窄化(负啁啾),并始终受到高斯变迹光栅的制约.当输入两个孤子时,它们之间的相互作用对其相对相位和相对振幅参量敏感.     

光孤子在高斯变迹光栅中传输特性的数值分析

为了研究光纤光栅中布喇格孤子的传输特性,基于耦合波理论采用有限差分法在孤子传播速度与传输距离无关的条件下,数值模拟了布喇格孤子在高斯变迹光纤光栅中的传输以及孤子之间的相互作用,得到一些有意义的结果。结果表明,输入功率和初始脉宽等初始条件的不同将导致孤子峰值强度的周期变化;具有初始频率啁啾时布喇格孤子在传输过程中被展宽(正啁啾)或被窄化(负啁啾),并始终受到高斯变迹光栅的制约。当输入两个孤子时,它们之间的相互作用对其相对相位和相对振幅参量敏感。     

基于双光纤布喇格光栅的液位传感器

设计了一种基于双光纤布喇格光栅的新型液位传感器,导出了双光纤布喇格光栅的波长漂移差与液位的关系.圆盘上受到的液体压力导致等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布喇格光栅的布喇格波长漂移.通过检测两个布喇格光栅的波长漂移差,得到被测液位.双光纤布喇格光栅通过补偿温度效应,解决了光纤布喇格光栅传感器的交叉敏感问题.该液位传感器的动态测量范围为2～3 000 mm.实验表明,双光纤布喇格光栅的中心波长随液位的增加分别向长波和短波方向漂移,而带宽几乎不变,实验和理论符合较好,该设计方案是切实可行的.     

光纤光栅传感系统信号解调技术的研究

光纤光栅传感是光纤光栅的重要应用之一,波长信号的解调是实现光纤光栅传感网络的关键。介绍了布喇格光纤光栅(FBG)传感的基本原理,对比FBG说明了长周期光纤光栅(LPG)的特点。阐述了基于长周期光栅的布喇格光纤光栅的解调技术,详细阐述了用长周期光纤光栅来解调布喇格光纤光栅的具体方案及技术。     

《学报》与我们共同成长

研究了一种基于长周期光纤光栅的振动传感器波长解调方法,可解调波长范围为1 522～1 538 nm.宽带光源的出射光经光纤布喇格光栅反射后,入射到长周期光栅,经长周期光栅调制后光纤布喇格光栅反射光强会发生变化.通过对谐振波长处光功率的探测,实现光纤布喇格光栅静态、动态信号的监测.通过温度测量实验对监测系统进行标定,实验中光纤布喇格光栅传感器波长偏移量与系统输出电压成线性关系,比值为0.01 nm/mV.将传感器粘贴于铝板表面,采用该系统解调简支铝板结构的微小振动引起的波长变化.系统采集到的动态信号时域波形及频谱与涡电流位移计的测量结果相吻合,表明该系统可实现1 kHz以上的动态应变测量.     

光纤布喇格光栅非线性特性的研究

利用单边边界条件下的差分法求解非线性光纤光栅耦合模方程,在此基础上分析了光纤光栅中克尔非线性效应对光栅频谱特性的影响,分别讨论了短脉冲在均匀和切趾光纤光栅的线性工作区和非线性工作区的传输特性.结果表明,在合适的条件下,光纤布喇格光栅可以用于光开关器件.     

均匀非均匀光纤光栅反射谱透射谱特性研究

文中阐述了光纤光栅的分类以及它们的特点和应用,根据光的耦合模理论应用MATLAB仿真均匀周期布喇格光纤光栅反射率透射率特性和非均匀啁啾光纤光栅反射率透射率特性,研究得到均匀周期布喇格光纤光栅和非均匀啁啾光纤光栅的反射率、透射率与光栅长度L成正比,L＝10mm时反射率和透射率接近100％,对比得到均匀周期布喇格光纤光栅反射率透射率,啁啾光纤光栅具有较宽的反射谱透射谱。研究结论为均匀非均匀光纤光栅器件制作提供理论依据。     

CFRP-钢组合梁剥离破坏FBG应变响应分析

通过碳纤维增强塑料(CFRP)-钢组合梁剥离破坏时的布喇格光栅(FBG)应变响应,分析了CFRP-钢组合梁剥离破坏的过程,研究了FBG应变测量在钢组合梁发生剥离破坏过程中所起的即时响应和预警作用。将光纤光栅粘贴在碳纤维板表面,监测钢组合梁加载过程中CFRP板应变,通过应变响应来判断CFRP板的剥离时刻。对于首先产生剥离破坏且不对钢组合梁受力特性产生较大影响的部位,使用光纤光栅监测,得到应变响应的预警时刻。结果表明,利用光纤光栅应变测量的实时性可起很好的监测、预警作用。     

用于产生ps量级双脉冲的光纤光栅

设计了一种用于ps级单脉冲变换到双脉冲的光纤光栅(FBG)。依据傅立叶光学理论,数值模拟了光脉冲经不同强度光栅反射后的输出光脉冲的特性,随着光栅强度的增加,输出脉冲间的强度差别变大,但输出光脉冲具有与输入光脉冲相同的谱形和脉宽。设计出的FBG折射率调制函数是sinc函数的叠加。当FBG是弱光栅满足一阶波恩近似时,光脉冲经光栅反射后的输出双脉冲具有相同的强度,且谱形和脉宽与输入脉冲相同。在强光栅情况下,改变光栅折射率调制sinc函数的相对强度,仍然可以使输出双脉冲具有相同的强度。     

金属化光纤光栅高温失效及其光谱特性

光纤光栅(FBG)作为温度传感器在智能结构领域得到广泛关注,然而将其埋入金属基体的方法大多是焊接方法。由于焊接过程经历高温,对FBG传感特性将产生一定不良影响。为提高FBG在高温工况下的应用,采用化学镀结合电镀的方法,对FBG进行了镀铜、镀镍金属化试验。采用高温加热炉对金属化FBG进行了短时间高温失效试验,分析了300~900℃区间内金属化FBG的温度灵敏度、光谱特性以及功率衰减规律。结果表明:在300~800℃温度区间,镀铜、镀镍的FBG以及裸光栅的平均温度灵敏度分别为15.35 pm/℃、16.34 pm/℃、16.1 pm/℃;金属化FBG的失效温度约为900℃,与裸光栅相比提高了约100℃;获得了金属化FBG失效过程的光谱及反射峰功率衰减情况。     

高分辨率光纤光栅温度传感器的研究

报道了一种具有高分辨率和高效且价廉的解调系统的光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器.提出了光纤光栅的金属槽封装技术,以提高传感光栅的温度灵敏性.研究了金属槽封装光栅的温度灵敏性,理论分析和实验结果表明,封装光栅的温度灵敏系数比普通裸光栅提高了3.6倍.系统利用一长周期光栅(LPG)作为线性滤波器,宽带光源经此长周期光栅调制后入射到传感光栅,可解调布拉格传感光栅的波长位移.理论分析与实验结果一致,系统可达到的温度分辨率为0.02℃.     

变迹光栅孤子速度与时延特性研究

基于非线性耦合模方程组（NLCME）的解析孤子解, 讨论了均匀布拉格光栅（FBG）中慢光栅孤子（GS）的存在性。利用双曲正切中间变迹光栅中的NLCME, 引入非相对论-绝热-准量子近似法, 将光栅孤子作为一个低速运动且能量守恒的整体进行分析, 得到了孤子的轨迹方程。对反射孤子、低速孤子和静态孤子三种情况下的速度、位移分别进行数值计算, 分析了变迹光栅孤子的速度可控性。对孤子时延进行的数值仿真表明, 50 m的变迹光栅中可产生2000 ns的时延, 平均速度仅相当于均匀光纤中的0.1倍。讨论了光栅参数和脉冲初始参数对速度、位移和时延的影响。研究结果表明：在变迹光栅中, 选取合适的光栅变迹函数和初始脉冲, 可得到速度在0～c/n之间的任意孤子, 产生需要的时延大小, 从而实现孤子光缓存。     

基于光纤光栅的传动齿轮模态分析

利用光纤光栅传感器实现了基于快速应变响应的传动齿轮模态分析。基于波分复用技术组建光纤光栅传感网络,根据光纤光栅的应变响应数据完成齿轮的应变模态分析,并与基于声压传感器的齿轮试验模态分析结果进行对比,固有频率相对误差小于0.1%。为了实现光纤光栅传感器的快速应变采集,搭建了一套光纤光栅快速解调仪。该解调仪是基于体相位解调的单通道快速解调仪,采样速率最高为35kHz,使用LabVIEW编写了光纤光栅信号采集和解调软件。基于光纤光栅的齿轮应变模态分析方法附加质量小,比传统加速度传感器测量结果更准确,能够适应小型齿轮箱内部复杂和恶劣的测量环境,具有一定的应用价值。     

用于PEMFC的FBG湿度传感器的制作及性能研究

研究了以聚酰亚胺为湿敏材料的光纤Bragg光栅(FBG)湿度传感器并用其对质子交换膜燃料电池(PEMFC)停机过程中内部湿度进行了实时监测。传感器利用聚酰亚胺的湿膨胀效应,实现 了对24.7%－ 98%RH范围内相对湿度的监测。采用腐蚀光纤包层的方法减小光纤包 层直径,实验结果表明,该方法能在 不影响FBG相对湿度传感器灵敏度的情况下,提高对外界环境相对湿 度变化的响应速度。所 研制的FBG 相对湿度传感器灵敏度能达到3.8 pm/RH,线性度达到99.85%,最大回程误差不超过9pm,当环境相对湿 度从50%突变到85%时,经过腐蚀处理后的FBG 相对湿度响应时间仅为15.4 s。将该FBG湿度传感器布置 于PEMFC内部进行停机过程中湿度的实时监测,实验结果表明,所制作的FBG湿度传感器能够 准确地反映PEMFC停机吹扫过程中内部湿度的变化。     

一种同时测量温度和应变的光纤光栅传感器

报道了一种新型实用的用单根光纤布拉格光栅(FBG)实现温度和应变分离传感的技术。当光纤光栅一部分包层直径变小时，整个光栅可以看成由两个周期相同但直径不同的子光栅连接而成。理沦分析和实验都证实了这两个子光栅具有相同的温度敏感性和不同的应变敏感性．由此实现光纤光栅传感器中温度和应变两参数的分离测量，而且这两个子光栅的中心波长间距可以直接测量应变大小．温度变化不影响所测量的应变值。实验中光栅的一部分包层直径被HF酸腐蚀到82μm．获得了两子光栅应变响应系数分别为0．00201nm/με．0．000858nm/με，二峰间距的应变响应系数为0．00116nm／με．二峰的温度响应系数均为0．01nm/℃的测量结果．依据这些结果可以对温度和应变进行同时分离测量。     

基于单膜片FBG的加速度传感器优化设计

提出了一种基于单膜片全粘封装的光纤布拉格光 栅(FBG)加速度传感模型。首先,理论分 析了其传感原理,并优化了最佳加速度灵敏度,深入分析和讨论了该模型的加速度灵敏度的 频率响应。然后,基于该模型设计了 FBG加速度传感器,实验研究了加速度的幅频响应特性、谐振频率和加速度的线性响应。结 果表明:在小于共振频率的低频段 具有较好的平坦区,加速度与波长具有较好的线性关系,线性度为99.8%,加速度响应灵敏度为36.6pm/G,实验值与理论值得的 相对误差为3.68%;实验研究了传感器的横向抗干扰能力,交叉灵敏 度小于1.3%,表明基于该模型的FBG加速度传 感器具有较好的响应特性。