基于正弦机构力放大原理的高灵敏度光纤光栅压力传感器

基于正弦机构力放大原理，设计研究了基于平面圆形薄板结构的新型高灵敏度光纤光栅压力传感器，研究表明，传感器的压力灵敏度可高达0．04711（pm／Pa），比裸光纤增敏了14989倍，可应用于超低量程压力的传感测量，而该封装结构易于传感FBG多路复用，组成传感器阵列。     

高灵敏度光纤磁场传感器的设计与模型研究

根据磁致伸缩效应和光纤腔衰荡技术设计了高灵敏度的磁场传感器。基于Jiles-Atherton模型、二次畴转模型和光纤衰荡技术波长解调原理,建立了磁场传感器的数学模型,模型反映了磁场-应变-光纤腔衰荡时间之间的耦合机制。对不同预应力作用下Terfenol-D棒的磁致伸缩输出应变、衰荡时间、系统灵敏度与磁场之间的变化规律进行了理论分析和仿真研究,结果表明,该传感器具有很高的灵敏度,可通过改变预应力实现不同量程范围内的磁场测量,研究可为发展新型的高灵敏度磁场传感器提供了理论指导。     

Mach-Zehnder干涉仪型光纤应变传感器

研制了一种Mach-Zehnder干涉仪型光纤应变传感器,首次把光纤用于纵向应变的测量。计算和测量了光纤应变传感器的灵敏度、温度特性和偏振特性。理论与实验符合。实验结果表明,光纤护套对应变测量有增敏作用,温度特性方面也存在类似的效应。分析了光源稳定性和环境干扰因素对传感器的影响,结果表明这些影响是不容忽视的,它们甚至最终限制了光纤应变传感器的灵敏度。在被测应变的动态范围不大时,利用李萨如图法记录干涉条纹的移动,既能记录其移动的数目,也能表示其移动的方向。在对光纤的偏振特性进行分析的基础上,把1/4波片与偏振器组合使用,可明显提高干涉条纹的可见度。     

柔性光纤压力传感器的增敏结构设计

为了提高光纤压力传感器的灵敏度,提出了一种具有倒凹槽结构的柔性光纤压力传感器的设计方案。用聚二甲硅氧烷(PDMS)作为该传感器柔性基底,通过PDMS受力形变,带动光纤发生形变,从而实现光纤的轴向拉伸。利用光频域反射计(OFDR)测量光纤的轴向应变变化。对所提出的增敏结构传感器和改进前的传感器进行Abaqus有限元仿真分析和实验验证。结果表明,该增敏结构可以有效的提高传感器的灵敏度。在0～100 kPa的测压范围内,该传感器具有很好的重复性及线性度,灵敏度从未改进前的1.09/kPa提高到1.69/kPa。     

基于光纤布拉格光栅的柔性触滑觉复合传感研究

针对仿生皮肤柔性触滑觉复合传感问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅的双层分布式传感单元。首先,研究了光纤布拉格光栅的传感机理,推导了基于参考光栅的温度补偿原理;然后,利用聚合物弹性材料对光纤布拉格光栅传感阵列进行保护性和增敏性封装,设计了双层"十字型"的分布式传感阵列单元,并对传感阵列单元压力灵敏度进行了仿真分析研究;最后,搭建实验系统平台,对柔性复合传感器进行了温度、触觉和滑觉传感实验。仿真和实验结果表明,该柔性触滑觉传感器具有良好的线性度和响应速度,温度灵敏度为13 pm/℃,是裸光纤布拉格光栅的1.31倍;正向压力灵敏度为7.289 nm/MPa,x正向和x负向剪切力灵敏度分别为0.060 2和0.063 6 nm/N;由滑觉传感特征信号可以获取物体的滑移信息。该传感器有望表贴或埋置于仿生手内部,对实现仿生手触滑觉信息感知具有一定的应用价值。     

保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环的光学游标效应及温度传感器

为了实现高灵敏度的温度传感,通过在基于保偏光纤Sagnac干涉仪的Sagnac环内增加一段保偏光纤,控制两段保偏光纤快轴熔接角度接近45°,设计并制造了保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环结构。在理论上通过Jones矩阵推导了保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环的干涉谱公式,基于仿真分析研究了主要参数对保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环输出特性的影响。仿真结果表明,保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环实现了光学游标效应,两段保偏光纤的平均长度、两段保偏光纤的长度差分别影响保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环输出干涉谱的波长间隔和包络周期;在实验中,将保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环应用在光纤温度传感器中。实验结果表明,在2cm的感温区域,保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环温度传感器的灵敏度就达到了-2.44nm/℃,是普通Sagnac干涉环温度传感器(-0.163nm/℃)的14.97倍。     

膜片式光纤光栅压力传感器的灵敏度分析

在理论推导光纤光栅压力传感器的灵敏度的基础上,采用结构增敏方法,设计并研制出了一种实用型高灵敏度的膜片式光纤光栅压力传感器,并用液压法对传感器的灵敏度进行了实验研究。实验结果表明,该高灵敏度膜片式光纤光栅压力传感器的反射波长移动量与膜片载荷(或水柱高度)成正比,其线性度达到0.9999,压力灵敏度系数为-0.023/MPa;实测压力灵敏度为0.03pm/Pa,理论压力灵敏度为0.0301pm/Pa,与实测压力灵敏度非常接近,二者的相对误差仅为0.33%。     

基于中心微泡结构的光纤F-P传感器应力特性研究

硅基材料光纤具有比较小的热膨胀系数,可用来制备具有折射率、应变、应力等敏感特性而温度不敏感特性的传感器件,比如利用光纤F-P传感器可实现高灵敏度的应力传感.本文提出了一种基于化学腐蚀法的低成本、高灵敏光纤F-P传感器件,并分析了其应力传感特性.该方法先利用HF溶液制备凹孔端面光纤,然后采用熔融放电方法制备空心结构的光纤FP传感器,有助于增强光纤器件的应力传感特性和温度不敏感能力.实验结果表明,所设计的F-P传感器其应力变化与光纤F-P传感器干涉谱峰变化呈正比关系,其应力灵敏度可以达到5.2,且成本较低廉,具有一定的应用价值.     

基于中心微泡结构的光纤F-P传感器应力特性研究（英文）

硅基材料光纤具有比较小的热膨胀系数,可用来制备具有折射率、应变、应力等敏感特性而温度不敏感特性的传感器件,比如利用光纤F-P传感器可实现高灵敏度的应力传感。本文提出了一种基于化学腐蚀法的低成本、高灵敏光纤F-P传感器件,并分析了其应力传感特性。该方法先利用HF溶液制备凹孔端面光纤,然后采用熔融放电方法制备空心结构的光纤FP传感器,有助于增强光纤器件的应力传感特性和温度不敏感能力。实验结果表明,所设计的F-P传感器其应力变化与光纤F-P传感器干涉谱峰变化呈正比关系,其应力灵敏度可以达到5.2,且成本较低廉,具有一定的应用价值。     

温度自补偿高灵敏度非本征光纤珐珀横向负载传感器

为了提高光纤EFPI传感器的灵敏度,提出了一种新型EFPI传感结构,并对其温度特性以及横向负载特性进行了研究。首先,介绍了采用端面镀钯金膜的光纤EFPI传感器的结构及其制作方法;接着,建立了镀钯金膜光纤EFPI的温度传感模型,并通过Solidworks、Hypermesh与有限元分析软件ANSYS联合仿真,对它在不同受压力下进行理论模拟,获得了腔长变化与压力之间的关系;最后,对传统的光纤EFPI与镀钯金膜光纤EFPI的温度和横向负载特性进行了对比试验。试验结果表明,镀钯金膜光纤EFPI的温度灵敏度为6.083pm/℃,具有温度自补偿特性;它对横向负载的检测灵敏度可达40.83m/g,相对于传统的光纤EFPI横向负载的灵敏度提高了2.10倍。实验结果与理论分析相符合,为实际制作具有温度自补偿的高灵敏度光纤EFPI传感器提供了理论与实验依据。     

多层Au-Pd核壳纳米颗粒膜增敏的光纤氢气传感器

高灵敏度、快速响应的光纤氢气传感技术是未来氢气传感技术的发展方向,对保障氢能系统安全具有重要意义。针对纳米尺度的钯基氢敏材料难以与光器件耦合的问题,本文采用水相合成及离心沉积方法制备具有快速氢气响应特性的Au-Pd核壳纳米颗粒膜,搭建了含有Au-Pd核壳纳米颗粒氢敏膜阵列的透射式传感系统,实现了光信号与多层纳米颗粒膜阵列的耦合,通过提高敏感材料对光信号的调制能力增强了传感器的灵敏度。实验研究表明,本文制备的AuPd核壳纳米颗粒膜粒径为48nm,Pd层厚度约为4nm。该敏感薄膜对4%浓度氢气的响应时间小于3s,且在循环测试中显示了良好的重复性和稳定性。通过3片薄膜阵列传感,在不影响传感器响应速度的同时将传感器灵敏度提升至最高,为单片膜的2.7倍。该研究为开发高性能光纤氢气传感器提供了重要指导。     

基于FBG传感技术的黏性土中静压沉桩阻力测试

为了探索光纤光栅(fiber Bragg grating,简称FBG)传感技术在黏性土中静压管桩沉桩阻力测试的适用性,在均质黏性土中进行了模型管桩静力压入试验。数据测试采用增敏微型光纤光栅应变传感器和双模式光纤光栅土压力传感器,基于FBG传感技术采集应变数据,分析沉桩过程桩端阻力和桩侧阻力贯入特性。通过改变桩长、桩径及开口和闭口,对比分析基于FBG传感技术的静压管桩的贯入过程差异。研究结果表明,FBG传感技术对黏性土中静压沉桩阻力的测试性能优越,能够准确体现静压管桩的贯入特性,清晰反映桩端阻力和桩侧阻力随桩径、桩长及开口和闭口的变化过程,这对静压管桩的模型试验与工程设计具有较大的参考价值。     

光学遥感器光机结构热变形的高精度测量

空间光学遥感器光机结构在复杂的空间轨道热环境中会产生热变形,影响探测精度.为解决光学遥感器光机结构热变形测量问题,本文提出了基于数字摄影测量和光纤光栅传感的热变形组合监测方法;建立了具有热解耦功能的光纤光栅布局方法和变形测量模型算法,理论分析了光纤光栅光谱变化与应变、温度的关系,采用实验方法标定光纤光栅应变传感器和温度...     

基于VI技术的光纤光栅应变测试系统的研究

传感器、通信和计算机技术成为现代信息技术的三大支柱，光纤传感技术则代表了新一代传感器的发展趋势。笔者分析了布拉格光纤光栅应变传感器的基本原理，结合计算机VI技术，设计了一种光纤光栅应变测试系统，并与电阻式应变传感器进行了应变对比测试实验。实验结果表明，该系统不但具有传统电测法的优点，同时具有灵敏度高、抗干扰性强的特点，可用于金属结构健康状态的在线监测，在工程实际应用中具有重要意义。     

一种无热化高灵敏度的杂散电流光纤传感器

为了保证地铁系统安全运营,需要温度敏感性低、测量灵敏度高的杂散电流传感器。因此,文中研究了一种无热化高灵敏度的杂散电流光纤传感器关键技术。采用传感光纤环匝数与多层螺线管匝数兼顾的"双取值法",设计一种"光电互绕"式的传感探头结构;以毕奥-萨伐尔定律为基础,运用COMSOL Multiphysics仿真多层螺线管产生的磁场分布特征和光纤支架上温度变化规律,优化结构设计和无热化设计,使传感器具有较高灵敏度和温度稳定性。     

新型光纤传感器的飞秒激光制作及其替代方法研究

<正>本论文主要研究内容包括:①研究了飞秒激光微加工的特点,在石英玻璃和光敏玻璃上加工出高质量微结构;针对近红外飞秒激光制备长周期光纤光栅(long period fiber grating,LPFG)时存在的焦点与纤芯相对位置难调、信号较弱等缺陷,提出一种改进的加工方法并利用飞秒激光加工了高性能LPFG;针对光纤光栅传感器灵敏度低、易受环境因素交叉敏感等缺陷,采用飞秒激光加工了三种新型高灵敏度光纤马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)传感器,并将其应用于折射率和温度等传感测试;②虽然飞秒激光制作的光纤传感器具有很好的性能,但成本较高,不利于工业化大批量生产,对此本文提出采用电弧放电的方法制备了三种新型低成本光纤MZI传感器,并用来进行折射率、温度和转角等物理量测试,还进一步提出通过降低光纤包层厚度的方法提高折射率灵敏度;③讨论了基于回廊模的光纤传感器原理,搭建了微球与光纤     

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%。     

FBG传感器应变标定方法

为了提高光纤光栅应变传感器测量精度,针对光纤光栅传感器工程应用情况,提出了一种光纤布拉格光栅(fiber bragg grating,简称FBG)传感器应变特性标定方法。通过理论分析和实验标定了封装式光纤光栅应变传感器的灵敏度系数,对传感器理论与实验灵敏度系数误差进行了分析。实验结果表明,该方法简单、易行,用于光纤光栅传感器使用前的标定,可以提高基于光栅光栅传感器的测量精度和准确性。同时,该方法为光纤光栅传感器的工程推广应用奠定了基础。     

航空航天光纤传感技术研究进展

光纤传感器具有体积小、重量轻、测量灵敏度高、复用能力强、抗电磁干扰、易于嵌入材料内部等诸多优点,非常适合航空航天极端环境下温度、应变、压力、声振动以及角速度等多种参量的测量。着重介绍基于EFPI、FBG以及FOG的航空航天光纤传感技术研究现状,以及天津大学在航空航天光纤传感技术研究领域的最新进展,包括航空航天温度、应变、压力、声振动传感系统,航空光纤法珀大气压力测量实验及多参量光纤传感系统在空间环境模拟设备中的应用实例。讨论航空航天光纤传感技术的难点问题,在此基础上指出航空航天光纤传感技术的发展趋势。     

预紧封装光纤光栅温度传感器传感特性研究

为了获得稳定测量温度变化的光纤光栅温度传感器,笔者研究带预紧力的光纤光栅温度传感器的封装技术及其传感特性。通过温度传感理论分析,在避免光纤光栅对温度和应变的交叉敏感情况下,对光纤光栅温度传感器进行有限元Ansys应力分布进行模拟,可知本封装具有一定的减敏作用,温度测量量程增大,满足更多实际工程中的使用。环氧树脂DP420将带有预紧力光纤光栅封装在铍青铜材料的圆柱体内,在恒温鼓风干燥箱对光纤光栅温度传感器进行传感特性研究,40~120℃的范围内,每次升温5℃。所得结果,此光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数为23.81pm/℃,是裸光纤光栅传感器的2倍,且线性度达0.999以上。该文对光纤光栅工程化具有较大的应用价值。