软体气动驱动器弯曲变形光纤传感与形状重构

为解决软体气动驱动器弯曲变形的柔性传感测量问题,提出将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层进行曲率测量与形状重构的方法。建立了软体机构变形光纤传感重构算法模型,理论分析了光纤光栅光谱变化与应变限制层弯曲曲率的关系。搭建了基于光纤光栅特性的软体传感、解调及曲率标定装置,实验分析了不同曲率下光纤光栅反射光谱的特征,得出光纤光栅中心波长漂移量与弯曲变形曲率的关系,计算得出软体气动驱动器在不同弯曲状态下的曲率值,重构出软体气动驱动器的变形形状,验证了形状重构结果的正确性。实验结果表明:将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层,利用光纤光栅反射光谱变化可实现软体驱动器的曲率测量与形状传感,3种弯曲状态下光纤光栅传感测量值与软体驱动器曲率标定值之间的最大误差为2.1%。该光纤传感方法在软体气动驱动器柔性传感与闭环控制方面具有广阔的应用前景。     

飞秒刻写光纤F P腔级联FBG传感特性研究

提出了一种飞秒刻写光纤法布里-珀罗(F-P)腔级联切趾布拉格光纤光栅(FBG)的微结构传感器并研究了该传感器的温度与应变传感特性。该微结构传感器光谱稳定性良好,监测时长2 h内FBG波长最大漂移量为0.009 nm,功率最大漂移量为0.015 d B,F-P腔波长最大漂移量为0.018 nm,功率最大漂移量为0.072 d B。当应变由0με增至450με再减回0με时,该微传感器FBG特征峰先右移再左移,波长变化0.530 4 nm,应变灵敏度约1.17 pm/με,线性度高于0.99;光纤F-P腔特征谷波长变化0.491 1 nm,应变灵敏度约1.10 pm/με,线性度高于0.90。当温度由50℃升至200℃再降回50℃时,FBG特征峰先右移再左移,波长变化约1.418 nm,应变灵敏度约10.09 pm/℃,线性度高于0.95;光纤F-P腔特征谷波长变化约1.578 nm,应变灵敏度约10.53 pm/℃,线性度高于0.98。所提出的微结构传感器是解决单根光纤双参数测量的有效手段,同时对复杂环境下的多参数耦合测量与解耦也具有重要的参考价值。     

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。     

窄间隙条件下基于光纤Bragg光栅的曲面位移测量

在充分利用光纤Bragg光栅既是敏感元件又是传光元件这一特点的基础上,提出一种在曲面空间间隙小于1 mm的窄间隙条件下,测量两曲面间相对位移的方法。设计一种矩形弹片式传感探头,利用其挠度与应变之间存在的对应关系,通过应变对光栅Bragg波长的调制,获得光栅Bragg波长偏移量与曲面位移之间的线性关系。通过双光纤光栅的应变差动成功消除了光纤Bragg光栅存在的温度干扰问题。结果表明,当曲面相对位移量在0.35～0.85 mm范围内时,测量系统的灵敏度达2.54 nm/mm,线性度优于1%。     

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。     

基于FBG的波长可调谐环形掺铒光纤激光器

在介绍光纤光栅波长调谐原理的基础上,设计了一种环形腔掺铒光纤激光器。利用光纤光栅(FBG)作为波长调谐元件,在20~170 ℃的温度范围内,实现了输出激光波长在1 547.7~1 556.5 nm内的连续可调,调谐线性度达99.96%,激光光谱的3 dB带宽均小于0.05 nm,20 dB带宽均小于0.08 nm,边模抑制比大于52 dB,输出功率可达21.2 mW。结果表明:可调谐掺铒光纤激光器具有可用带宽较宽、功率高、线宽窄、与光纤元件天然兼容等优点。     

基于布拉格光纤光栅的微位移传感器的研究

微位移测量是目前热点研究领域,光纤布拉格光栅作为良好的传感元件,已被用于微位移测量领域。本文首先对布拉格光纤光栅传感的基本原理进行了分析,在此基础上设计制作了一种光纤光栅位移传感器。采用布拉格光纤光栅作为传感元件,利用自解调法进行波长解调,然后设计一整套传感系统,对微位移量进行了传感测量。利用激光干涉仪和PI微动平台对系统性能进行测试,实验结果显示传感系统分辨率达到50nm,系统回零重复性的误差26nm,系统的灵敏度为21mV/μm,最大非线性引用误差为2.45%。     

基于WPM的高精度光纤Bragg温度传感系统研究与设计

根据边缘滤波器的Bragg光栅温度解调原理,利用DSP2407作为处理芯片,设计完成了光电转换和信号调理电路,构建并实验研究了低成本温度传感检测解调系统。解调系统采用双光路结构,并提出了一种对称双通道信号数据融合方案,从理论与技术上做到消除由于激光光源和光路造成光强波动带来的测量漂移问题。引入数字温度计与设计光纤光栅温度系统,利用恒温水槽进行了对比实验。实验数据表明:在环境温度对光源以及对整个系统的影响下,系统温度测量仍具有良好的稳定性与精度。     

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。     

反射式长周期光纤光栅弯曲传感器

长周期光纤光栅透射谱的损耗峰对温度、应变和弯曲等基本物理量敏感,已在土木工程、航空航天等领域应用。但由于该类器件主要利用透射光谱进行检测,传感系统复杂,限制了器件应用领域的拓宽。针对上述问题,设计了基于光纤末端粘接硅片式结构长周期光纤光栅传感器,可实现利用长周期光纤光栅反射光谱检测。试验表明该器件对弯曲敏感,此外,由于长周期光纤光栅采用飞秒激光逐点直写法加工,受物镜聚焦和光纤自聚焦影响,激光调制区域不对称,其弯曲传感具有明显的方向性。     

SIMULTANEOUS MEASUREMENT OF STRAIN AND TEMPERATURE WITH POLARIZATION MAINTAINING FIBER BRAGG GRATING LOOP MIRROR

□ A novel simultaneous method of strain and temperature measurement based on a polarization maintaining fiber Bragg grating loop mirror is proposed and demonstrated. The sensing head was composed of a fiber loop mirror and a section of fiber Bragg grating made of a polarization maintaining fiber. The Bragg wavelengths of the fiber grating in the polarization maintaining fiber were along slow and fast axis showing different sensitivities to strain and temperature with the interferometric peak wavelength of the fiber loop mirror. By monitoring the shifts of the Bragg wavelength and interferometric peak of the fiber loop mirror, with its temperature sensitivity of 0.1167 nm/°C and strain sensitivity of 0.0093 nm/μ?, a temperature measurement resolution about 0.009°C and a strain measurement resolution of 1.08 μ? was achieved theoretically and experimentally.     

基于啁啾光纤光栅的电压传感性能研究

电压的实时测量是电力系统稳定、安全的关键。提出了一种基于啁啾光纤光栅的电压传感器,利用压电陶瓷的逆压电效应带动黏贴在其上面的传感啁啾光栅发生形变,使传感啁啾光栅的波长发生漂移,通过检测传感啁啾光栅和参考啁啾光栅反射光包络的强度变化,获取被测电压的幅值和频率信息。理论分析了电压与光功率变化的关系,搭建了带温度补偿的双啁啾光栅传感系统,实验研究了传感器的静态和实时动态特性。实验结果表明,该传感器的相关系数R2为0.999 8,电压灵敏度达到0.048mW/V,既能直接检测直流电压,也能较好地检测交流电压及其频谱信息,为在复杂环境评估电能质量提供了参考。     

温度自动补偿超磁致伸缩材料布拉格光栅光纤电流传感器

基于超磁致伸缩材料,提出了一种传感光纤光栅(S-FBG)和参考光纤光栅(A-FBG)相结合的温度自动补偿全光纤交流电流传感器。此传感器将传感光纤光栅和参考光纤光栅级联呈"十字形"后粘贴在超磁致伸缩材料上,然后将其置于聚磁回路狭缝内;同时控制传感光纤光栅的径向与磁场方向相同,而参考光纤光栅的径向与磁场方向相反。最后,将S-FBG的中心波长置于A-FBG反射谱的边带上,通过检测两光纤光栅级联反射光强的变化实现了电流测量及温度自动补偿。选用3dB谱宽分别为0.23nm和0.08nm的A-FBG和S-FBG进行了实验测试,结果表明:有效安匝电流为1.0~138.2A时,该传感器可实现线性测量,线性度为0.996 3,测量灵敏度为16.0 mV/A,最小可测有效安匝电流为1.0A。     

Novel approach to indirect measurements of alternating current based on the interrogation of an all-fiber laser

This paper proposes and demonstrates a novel alternative to measure alternating current (AC) in an indirect manner, based on the interrogation of an Erbium-doped all-fiber laser. The principle of operation is based on sensing the temperature of an electrical wire AWG-22 caused by Joule effect. The heat transfer between a sensing Fiber Bragg Grating and the electrical wire modulates the intensity of the optical output power of the fiber laser. The intensity variation of the fiber laser is caused by the wavelength overlapping process into the fiber laser. The advantage of the proposed alternative is measuring AC current through the optical power from the fiber laser. The linear increment of optical output power as a function of temperature allows for the measurement of the AC current, which is an advantage over other methods.     

可调谐F-P腔进行锥形光栅 反射带宽解调的应力测量方法

理论分析和实验验证了通过对锥形光栅反射谱进行带宽解调来获得环境应力/应变的可行性,提出了对锥形光栅反射谱采用可调谐F-P腔进行带宽解调的方法,通过应力加载实验对该带宽解调方法进行了验证,并取得了较好的反射带宽解调和应力测量效果。实验证明,该测量系统实现了对温度变化不敏感的应力测量,同时具有较高的灵敏度,应力测量精度为0.060 N。在进一步进行锥形光栅中心反射波长解调的基础上,该方案可实现温度和应力的同时测量。     

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%。     

Simultaneous measurement of humidity and temperature using a polyvinyl alcohol tapered fiber bragg grating

An optical fiber sensor based on a multimode tapered fiber cascading fiber Bragg grating has been proposed and experimentally demonstrated for the simultaneous measurement of humidity and temperature. The sensor was constructed using a tapered fiber that was coated with polyvinyl alcohol and a fiber Bragg grating with high reflectivity. The measurement of humidity and temperature was achieved by monitoring changes in reflective optical power and spectral shift, respectively. Due to the different measurement methods, the effect of temperature on humidity measurement may be ignored. The theoretical analysis and experimental results show that the highest sensitivities of 0.33 µW/%RH and 10.9?pm/°C were achieved when the diameter of the taper waist was 26?µm and the thickness of coating was 3.3?µm. Due to the advantages of good linearity, low cost of fabrication and convenient operation, the proposed sensor is promising for simultaneously measuring humidity and temperature.     

掺铒光纤超荧光光源外部增益平坦技术的研究

为满足光纤布拉格光栅传感和波分复用光纤通信系统对光源光谱平坦度与带宽的要求,利用外部增益平坦技术实现掺铒光纤超荧光光源输出光谱的平坦化。介绍了三种常见的外部增益平坦技术,并通过实验对平坦结果进行比较,由此得出采用长周期光栅增益平坦滤波器是一较好的选择。实验结果表明,平坦波段范围内(1 525~1 540nm)的光谱不平坦度小于±1.1dB,整个C波段光谱的3dB带宽为39.125nm。