面向铁路轨道的光纤物联网安全状态监测系统

为了准确地获取铁路轨道结构状态，提高测试点位灵敏度和抑制干扰，搭建了基于光纤物联网的状态监测系统，设计了一种可抑制非测试位置应力干扰的FBG传感器封装。系统通过多路光开关和波分复用技术实现在长距离上大范围监测轨道结构状态。采用三角形封装设计使非传感器对测试位置的应力响应不敏感。仿真分析了车轮挤压轨道后的应力场分布特性。分析了不同时刻测试位置处三个坐标轴方向上的应力变化，其中x轴向最大可达-186.2με。实验对本文设计的优化FBG封装结构的增敏效果进行定量分析，灵敏度达20.1 pm/kN,比未优化前提高了近8倍。在温漂补偿实验中，验证了无应力与有应力状态下，温度补偿都可以有效抑制测试环境温度变化造成的波长偏移。从动态测试曲线中，可以准确的提取测试位置的应变响应，最大波长偏移为253.2 pm,符合设计要求。     

不锈钢毛细管和聚合物联合增敏的高频FBG加速度传感器

为了适应于变压器的内部振动监测的需要,提出 了一种不锈钢毛细管和聚合物(Polymer)相结合的高 频光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器。利用有限元分析了 不同毛细管厚度 和多种聚合物填充下传感器的静态与动态特性,根据仿真参数研制了振动传感器,并通过 振动台实验对 其灵敏度以及幅频特性作了实验测试。实验结果表明:选择有机玻璃(PMMA)为聚合物填充 材料时,毛细管厚分别为0.1、0.2和0.3mm时,传感器谐振频率分别为1000050和 1100 Hz,灵敏度分别为32和18pm/g;选择环氧树脂为聚合物填充材料时,毛细管厚分别为0.1和0.3mm时,传感器谐振频率分别 为900000和 1050Hz,灵敏度分别为35、29和20pm/g。     

基于双光栅级联结构的温度及浓度传感特性测试

研究了长周期光纤光栅（LPFG）级联布拉格光纤光栅（FBG）结构的温度及浓度传感特性。利用飞秒激光直写制作LPFG并级联FBG,且FBG波谷位于1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 560.5 nm。在30~50℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对浓度为3%~30%的葡萄糖溶液进行敏感性测试。实验结果表明:升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度26.36 pm/℃,线性度0.950 8;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-24.55 pm/℃,线性度0.914 2。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度25.00 pm/℃,线性度0.945 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度为-21.82 pm/℃,线性度0.921 2。FBG对浓度变化不敏感,当浓度由3%增至30%时,LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度196.36 pm,线性度0.956 5。结果表明该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现温度和浓度的测量。     

表面焊接式光纤布喇格光栅应变传感器的疲劳性能研究

针对用于起重机械结构健康监测的光纤布喇格光栅(FBG)应变传感器疲劳性能未知问题,采用动态载荷与静态拉伸相结合的试验方法,对起重机械钢结构疲劳损伤监测中的3种封装形式FBG应变传感器开展了疲劳性能研究,分析了反映传感器性能的灵敏度系数、带宽、边摸抑制比、峰谷比、零点波长、动态应变分别随疲劳次数增加时的变化情况。试验结果表明:3种封装方式的FBG应变传感器疲劳前后,在加载、卸载相同载荷时,灵敏度系数相差最大不超过0.1 pm/με,带宽均值为0.19~0.23 nm,峰谷比和边摸抑制比随疲劳次数的增加变化趋势相同,零点波长变化最大值为0.31 nm,动态应变符合二次指数函数分布特征。     

基于光纤光栅的机器人多维力传感技术研究

研究了一种光纤Bragg光栅(FBG)机器人多维力传 感器,进行了传感器弹性体的静 态、模态和动态有限元ANSYS模拟,获得弹性体在各方向受力与力矩时应力、应变的变化情 况。在模拟的基础上, 设计、制作出传感器机械结构,敷设FBG和搭建测试系统,并在压力与扭矩实验机上进行了 有关测试;为模拟机器 人腕部受冲击现象,进行传感器动态冲击实验。各种实验分析表明:本文传感器具有良好的 线性度和重复性,灵敏度 可达0.000nm/N,且具有结构设计简单、免受 电磁干扰、稳定性好和成本低等优点。     

一种双梁互补式光纤光栅位移传感器及在地铁隧道变形监测中的应用

本文提出了一种双梁互补式光纤光栅(fiber Bragg grating, FBG)位移传感器,实现了正负双向位移的测量。采用双“悬臂梁+楔形滑块”的结构,当一个悬臂梁受位移作用处于变形状态时,另一个悬臂梁不变形并提供温度补偿功能。传感器处于零值测点状态时,两个悬臂梁处于零弯曲状态,且双梁互为温度补偿,消除了温度影响。通过性能测试实验证明,该传感器在±50的量程内,灵敏度为29.369 pm/mm,测量重复性好。制备出8个传感器应用于某市地铁的变形安全监测,从道床沉降、道床环缝、管片环缝3个方面开展了变形测量。在长期监测期间,传感器工作稳定,被测结构变形状态稳定,表明该传感器具有良好的测量性能,适用于长期的结构健康监测。     

光纤光栅温度传感器稳定影响因素研究

提出一种可用于航天系统温度监测的光纤布拉格 光栅(FBG)温度传感器及其封装方式。通过对FBG温度传感器结构进行力学仿真,分析了FB G的预拉伸幅度、低熔点玻璃厚度对传 感器稳定性的影响;提出了优化传感器封装性能的方法,并通过实验进行了验证;对封装的 FBG传感器进 行四次稳定性实验,每次实验相隔二十天。实验结果表明:FBG传感器在各个温度点(－70℃,……, 30℃)波长的标准差小于0.57pm;FBG传感 器温度灵敏度为8.4pm/℃,温度测量标准差小于0.067℃; 在液氮环境中,FBG传感器波长的标准差为0.43pm,具有良好的低温 稳定性。     

一种用于泥石流地声监测的FBG加速度传感器

针对泥石流地声的特性,设计了一种悬臂梁 结构的光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器。理论分析了FBG传感器灵敏度、谐振频率的 影响因素,对传感器 的关键参数进行了优化设计;引入抗弯光纤、高分子超薄涂覆以及CCD解调等新技术,改 善传感器的灵 敏度、串接复用等性能;最后进行了对比测试。实验结果表明:所设计的传感器灵敏度高达 400pm/g,固有频率为310Hz,能很好地满足 泥石流地声监测的要求。     

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。     

CO2激光刻写长周期光纤光栅与光纤MZ结构的双参数传感特性

为了实现温度与应变的双参数高精度传感测量,提出了一种CO2激光刻写长周期光纤光栅（Long Period Fiber Grating,LPFG）与光纤马赫-增德尔（MZ）干涉型结构的光纤传感器,利用CO2激光刻写制作LPFG并利用错位熔接法制备光纤MZ结构,将二者级联并实时监测温度及应变变化时的透射谱变化,研究了其传感原理并验证了其温度及应变传感特性。实验结果表明:该双参数光纤传感器的LPFG仅对温度敏感,MZ干涉结构对温度和应变都敏感;在温度范围35~70℃时,LPFG特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度39.17 pm/℃;MZ干涉结构特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度为37.50 pm/℃;当应变范围0~450 时,MZ干涉结构加载灵敏度4.01 pm/,卸载灵敏度为4.24 pm/。为温度和应变的实时测量提供了一种灵敏度高、线性度好的光纤传感器。     

基于对称悬臂梁的小型化低频FBG加速度传感器研究

提出了一种基于对称悬臂梁的小型化低频光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器。首先根据传感器结构的力学模型,推导出传感器的灵敏度和固有频率表达式;然后对传感器进行结构参数优化,采用ANSYS Workbench对传感器进行静应力与模态分析;最后根据分析结果制作传感器,并实验研究了传感器的幅频响应、灵敏度特性、横向抗干扰能力和冲击响应。结果表明,该传感器固有频率为72 Hz,灵敏度为681.7 pm/g,抗横向干扰度小于4.9%,且体积仅为6.48 cm^(3),可用于50 Hz以下的低频微弱振动信号的实时监测。     

磁流体包覆薄包层光纤光栅磁场传感研究

利用磁流体替代光纤布喇格光栅(FBG)的部分二氧化硅包层,制作了一种磁流体封装薄包层FBG结构的磁场传感器,研究了传感器对磁场和温度的响应特性。结果表明,在5.0～20.0mT的磁场范围内,传感器的波长灵敏度和功率灵敏度分别为34.9pm/mT和-1.063dBm/mT,波长线性响应度达到了99.2%。封装工艺未改变FBG波长随温度线性变化的特性,但受磁流体磁光效应影响,其温度灵敏度减小到9.2pm/℃。该传感器可实现磁场测量中的温度补偿,方法简单、易于实现。     

一种大量程双弹簧式光纤光栅位错计

设计了一种大量程双弹簧式光纤光栅位错计。选 用弹簧作为位移-力转化元件,使光纤布拉格光栅 (fiber Bragg grating,简称FBG)所在基体发生轴向应变进而得到中心波长变化量。理论分 析了FBG位错 计机械结构与基体之间的位移传递关系,给出了位错计的理论灵敏度系数公式。以位移量为 变化参数,对 FBG位错计进行了标定试验并根据数据进行传感器静态特性分析。结果表明,位错计的双向 线性度分别为 2.445%和2.386%;迟滞性分别为 3.385%和1.237%;灵敏度系数分别为34.93pm/cm和31.20pm/cm。该 FBG位错计结构简单、量程大、精度高、抗电磁干扰且可以实现温度自补偿。可应用于恶劣 以及复杂的地下工程结构长期的相对沉降远程监测。     

金属环封装低频光纤布拉格光栅振动传感系统研制

研制了一种金属环封装的单柱体芯轴式光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器,搭建了基于非平衡迈克耳逊干涉仪相位载波调制(PGC)解调技术的FBG振动传感器解调系统,实现了低频振动信号的高精度实时解调,并分析了各参数对传感器谐振频率和灵敏度等特性的影响。实验结果表明,研制的FBG振动传感器谐振频率为388Hz,在10～200Hz频率范围内,传感器的加速度灵敏度约为81pm/g,且加速度响应平坦,起伏小于1dB,与理论分析结果基本一致。研制的振动传感器可实现200Hz以下低频振动信号的实时检测,解调系统的波长检测精度为1.07×10-3 pm,最小可检测加速度为1.3×10-5 g。     

一种双包层半径光纤布拉格光栅传感器

光纤布拉格光栅已经成为非常有前景的温度、应力及其它参数测量的传感元件,但其存在温度和应力的交叉敏感问题.提出了一种双包层半径光纤布拉格光栅传感器,将一个布拉格光纤光栅分成两半,各自具有不同的包层半径,其中一半保持不变,另一半包层半径从62.5m减小到40m.实验结果表明,两半光纤布拉格光栅的温度灵敏度均为10.4 pm/℃,而应力灵敏度分别为1.12 pm/ue 和3.89 pm/ue.初始的单个布拉格反射峰分裂成两个,分别对温度和应力敏感,而两个反射峰之间的波长差只受应力的影响,随着应力的增加其波长差逐渐增加.因此,通过这一个光纤布拉格光栅即可分辨出温度和应力所引起的布拉格波长漂移.该光纤光栅传感器结构简单、体积小巧、成本低廉、制作方便,可以广泛应用在各个领域实现温度和应力的同时测量.     

双光纤-悬臂梁FBG加速度传感器研究

针对现有悬臂梁FBG加速度传感器光纤表面粘贴会造成FBG受力不均匀,并且无法在温度变化和振动等复杂的环境中工作的问题,提出一种双光纤-悬臂梁结构的FBG加速度传感器。理论分析了结构参数对传感器灵敏度和固有频率的影响,并采用ANSYS有限元分析软件进行了静应力和模态仿真分析,最后搭建了测试系统对传感器进行性能测试。结果表明,加速度传感器的固有频率为84.86Hz,在15~60Hz的低频段具有平坦的灵敏度响应,双光纤在增加传感器的灵敏度的同时有效消除了温度变化的影响,加速度灵敏度为156.70pm/g,线性度为99.38%,刚性梁有效增加了结构的稳定性,在工作频段内的横向串扰为-26.97dB。     

Research on novel pressurized fiber Bragg grating static level based on circular structure

The static levelling system has significant value in the settling measurement of the structures. A novel pressurized static level based on circular structure is designed by using fiber Bragg grating (FBG) sensing technology in this research. The variation of the level pressure in the connecting vessel can be transmitted through the diaphragm to the FBG of the circular ring. The Ritz method is used to calculate the lateral deformation of the circular ring under the concentrated force, constructing the theoretical sensitivity model of the sensor. Further, finite element simulation and static experiments are applied to modify and verify it. According to the experimental data, two FBGs arranged horizontally along the circular ring, multiplying the sensitivity of the FBG static level to about 4.75 pm/mm, while the resolution can reach 0.02 mm. In addition, the temperature compensation of the sensor can be realized by the synergistic change of the measurement point and the reference point within the system of connecting vessel.     

基于楔形腔结构的光纤光栅位移传感器

提出一 种基于楔形腔结构的光纤光栅(FBG)位移传感器设计方法,制作了具有结构简单、体积小、 测量精度可调节和抗 电磁干扰等优点的FBG位移传感器。通过对制作的FBG位移传感器进行标定实验,得出传感 器的灵 敏度系数为13.77pm/mm,相关系数达到了0.99,线性度良好。在钢筋混凝土柱双向偏心 受压试验中,与电类位移计的测量结果对比表明,本文制作的FBG位移传感器测量结果准 确,实用性强,适用于工程结构长期的位移监测。