一种低成本FBG高温传感器的研究

采用相位掩模法,利用紫外光在载氢普通掺锗单模石英光纤中制作出光纤布拉格光栅(FBG)。同时,将反射率为17dB的光栅FBG1和反射率为41dB的光栅FBG2置于30～1000℃的高温炉内进行温度特性比较实验。在30～870℃范围内FBG1和FBG2两者中心波长随温度的变化趋势一致,且两个光栅反射波长都在870℃时消失,当温度继续升高到900℃时,仅有FBG2再次出现反射率为1dB的反射峰。对经过高温处理后的FBG2再次进行30～1000℃温度测量实验,温度灵敏度为0.02nm/℃,线性度为0.999。实验结果表明,对于具有高反射率的FBG进行高温热处理后,其可以在30～1000℃的温度范围内进行传感测量,且中心波长随温度变化呈良好的线性关系。利用该方法可以制作出低成本的可用于高温环境测量的FBG温度传感器。     

光纤布拉格光栅的高温特性研究

采用相位掩模法制作的掺Ge石英光纤布拉格光栅(FBG)作为实验对象,监测FBG从30℃到850℃谐振波长随环境温度的变化,研究FBG的高温特性。实验结果表明,FBG处于30℃～690℃时,其谐振波长与温度间有良好的线性关系;随着温度的升高,FBG的谐振波长温度关系开始偏离其原有的线性;在温度达到837℃时,FBG的光栅特性消失;如果FBG工作在失效温度范围以内,则FBG具有良好的重复性。通过分析研究,提出了用原子弹性模型解释FBG在高温状态下失效原因的新观点。     

基于参考光栅的光纤光栅应变传感器温度补偿

为解决光纤布拉格光栅（FBG）应变测量时的应变、温度交叉敏感问题，利用FBG便于构成传感网络的优点，将温度补偿参考FBG与应变测量FBG串联在一路光纤上，根据2只FBG布拉格波长相对漂移获得被测结构应变。双FBG波长相对漂移对温度的灵敏度仅为0．12pm／℃，较好地实现FBG应变测量的温度补偿。参考FBG法原理简单，可操作性强，为FBG应变传感器的实际工程应用奠定了基础。     

光纤布拉格光栅温度和应变交叉灵敏度的实验研究

测量了光纤布拉格光栅(FBG)在-150～550℃范围内中心反射波长对应变的依赖关系,得到了光栅的温度和应变交叉灵敏度系数。结果表明,不论是在低温环境还是高温环境,当光纤所受张力小于6000με时,波长变化与应变大小呈线性关系;光栅的应变灵敏度系数和交叉灵敏度系数是温度的函数,温度越低,应变灵敏度系数越大,交叉影响越显著。     

镀Ni光纤布拉格光栅温度灵敏度分析

为了研究镀Ni光纤布拉格光栅(FBG)的温度灵敏度,根据镀Ni FBG的特点,分析了镀Ni FBG温度变化时的应力应变,从理论上推导出镀Ni FBG的温度灵敏度公式并通过实验进行了验证,用理论证明了镀Ni FBG的波长漂移、应力和应变与温度变化成线性关系,分析了镀Ni FBG的温度灵敏度与镀层厚度的关系.用ANSYS软件对镀Ni FBG在温度变化时的应力应变进行了仿真.理论分析得到镀层厚度为4.56 μm的镀Ni FBG的温度灵敏度为14.3306 pm/℃,实验值为14.113 pm/℃.理论、实验和仿真得到了一致的结果.     

掺氟石英芯光纤的耐辐射特性

为了使光纤在宽的波长范围内具有良好的耐辐射特性，我们研究了用掺氟石英芯光纤代替纯石英芯光纤，此外还探讨了对掺氟光纤掺氢的影响，结果发现，掺氟使得光纤的实用波长区加宽，而在掺氟光纤中掺氢使得光纤耐辐射特性大大增强。     

光纤光栅高温应变测量及工作温区调控方法

光纤光栅由于自身材料限制,当测量500 ℃以上高温应变时,基底材料的热膨胀通常会导致光纤光栅断裂,因而在高温环境中光纤光栅的应用受限。为解决此问题,该文提出了一种为光纤光栅提供冗余光纤高温应变测量思路,探索了冗余光纤的控制方法及工艺。通过搭建测试高温应变实验平台,对冗余光纤控制方法进行了实验验证。实验结果表明,此方法封装的光纤光栅可实现500~1 000 ℃下应变测量,进行应变测量时表现出良好的线性特性,相关系数超过0.999,应变灵敏度为1.44 pm/με,与常温下光纤光栅性能相同。该方法操作简单,具有可重复性,极大地提高了光纤光栅的高温应变测量范围,具有良好的应用前景。     

铝合金箔片封装光纤光栅传感特性研究

针对表面粘贴式光纤光栅(FBG)传感器存在的封装体积过大、粘接不便的问题,提出一种光纤光栅的铝合金箔片封装工艺,并通过悬臂梁加载实验和水浴加热法对封装后光纤光栅的应变与温度传感特性进行了实验研究.测试结果表明,经铝合金箔片封装后的光纤光栅传感器与裸光纤光栅相比较,应变灵敏度提高了1.2倍,达到1.407 pm/με,温度灵敏度提高了3.02倍,达到29pm/℃,中心波长的漂移与荷载及温度都具有良好的线性关系,且有较好的重复性.     

光纤光栅高温传感器的研究

提出了一种能够测量高温的光纤布拉格光栅（FBG）传感器结构。利用线膨胀系数和长度均不同的两种金属细杆和光纤布拉格光栅设计而成的传感头，能够将被测温度转化为光栅的应变，解调由应变引起的光栅波长漂移，即可得知待测的温度。目前在实验室实现了500℃的动态范围和1℃的温度分辨率，实验结果与理论分析一致。     

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。     

飞秒激光制备异质光纤光栅的温度应变双参数传感器

针对光纤布拉格光栅(FBG)传感器在应用中温度与应变串扰的问题,利用飞秒激光结合相位掩模板法在异质光纤熔接点处刻写FBG,基于FBG的温度或应变响应系数的特点,实现温度与应变双参量的传感测量。分别标定了掺镱-石英FBG和铒镱共掺-石英FBG的温度和应变响应系数,结果表明,铒镱共掺FBG和石英FBG的温度响应系数差异较大,应变响应系数相近,故可用作温度、应变双参数传感测量。经过800℃的高温退火的铒镱共掺-石英异质FBG在700℃温度下可保持长时间反射率稳定,因此可应用于700℃以内的温度和应变双参量解调。     

文摘

光纤光栅(FG)是用来在光纤芯内形成周期性折射率分布的,它发挥着波长滤光片的功能。正在研究利用光纤伸缩、滤光片选择波长的移动,把它当作探测温度变化或机械性应变的传感器来用。但是必须在区别和探测温度变化或应变上想办法,本文叙述了其中的一种方法。其结构是,温度变化取决于选择波长的两个布喇格FG(FBG)和FBG7倍周期的FG(LPG)连接。由于LPG波长移动量大,故温度变化可从两个FBG的中心波长处的强度差换算,而应变量则可以从FBG中心波长的移动量换算,从而能够鉴别温度变化和应变量。实验验证应变量为±9μm,温度在±1.5℃下可进行鉴别测量。还探讨了此结构中的传感器的校正方法。对不同温度常数的光纤光栅的使用及其测     

光纤Bragg光栅低温特性研究

用相位掩膜方法制作了光纤Bragg光栅(FBG),实验研究了FBG波长从-60℃到20℃的低温变化特性。实验结果表明,在-55℃～十20℃区间,FBG中心波长与温度变化有着良好的线性关系和重复性;低于-60℃时,光栅中心波长急聚下降。     

基于游标效应的FBG阵列灵敏度增强研究

为了提高光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)的温度和应变灵敏度,我们提出了一种基于游标效应的FBG阵列光纤传感器。该传感器由Lyot干涉仪(Lyot interferometer,LI)和FBG阵列级联而成,LI作为游标效应的参考干涉仪,具有相同反射率和波长间隔的FBG阵列作为游标效应的传感部分。游标效应是由LI的FSR(Free spectral range,FSR)和FBG阵列的等波长间隔之间的微小差异引起的。LI由两个起偏器和一段熊猫型保偏光纤(Polarization-maintaining fiber,PMF)组成。我们通过仿真证明了LI和FBG阵列之间产生了游标效应。通过实验研究了不同保偏光纤长度情况下传感器的温度和应变响应,在LI的FSR为1.76 nm的情况下,该传感器的温度灵敏度为-241.60 pm/ ℃,应变灵敏度为-13.42 pm/ ℃。该混合级联结构最突出的优点是通过改变LI的FSR或是FBG阵列的波长间隔就可以轻易改变FBG传感器的温度灵敏度和应变灵敏度,具有较强的灵活性。该传感器为提高FBG传感能力提供了一个新思路。     

FBG温度传感器交叉敏感问题的研究

基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器的温度应变交叉敏感原理,提出了一种新型的高灵敏度FBG温度传感器封装方法,该封装方法通过在金属管内设置弹簧进行预应力封装,完全隔绝外界压力对FBG温度传感器测温的影响,可有效地解决温度和应变对FBG温度传感器交叉敏感的问题,同时提高FBG温度传感器的温度灵敏度。对封装后的光纤光栅温度传感器进行温度特性测试和温度应力交叉敏感测试实验,结果表明,传感器中心波长的变化仅由温度变化引起,不受压力变化的影响。另外,该传感器表现出较好的线性度和重复性,可以达到准确测量温度的目的。     

一种两段式FBG应变和温度同步测量的实现

为解决光纤布拉格光栅(FBG)的应变和温度交叉敏感性问题,本文基于FBG纤芯有效折射率与纤芯半径的良好相关性,提出一种半腐蚀FBG的新颖结构。即一根FBG被分成等长两部分,用HF酸腐蚀其1/2区域直到纤芯半径。采用传输矩阵法和纤芯基模有效折射率的色散方程对两段式FBG建模,利用Mathcad 15计算软件进行数值仿真和模拟。仿真结果表明,FBG反射峰发生分裂,即一个反射峰分裂为两个,且当纤芯半径变小时,腐蚀段FBG谐振波长蓝移,而未腐蚀段FBG谐振波长基本不变;纤芯半径越小,两段FBG谐振波长的间距越大。实验结果表明,实现了应变和温度的同步测量,得到应变和温度的传感精度分别为7.2με和1.1℃。     

FBG应变传感器温度交叉敏感补偿技术研究

光纤光栅传感器目前在工业上对高温压力管道表面的应变监控有着广泛的应用。但由于存在应变和温度的交叉影响,使传感器的测量精确度受到了一定的限制,不能满足工业实际需要。通过分析FBG应变传感器的基本工作原理,针对FBG的应变、温度交叉敏感问题,提出并采用了二元回归分析算法来实现FBG应变传感器的温度补偿模型。由计算机程序运行结果和实验结果表明,利用二元回归分析法对FBG应变传感器进行数据融合处理后,温度灵敏系数由2.74×10-2/℃降低为9.16×10-5/℃,温度的交叉敏感性得到明显改善,可满足高温压力管道应变测量的实际测量要求。     

FBG-FP的应变与温度解耦方法研究

光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)的温度与应变交叉敏感问题在实际工程应用中至关重要。本文提出了一种采用级联FBG的法布里-珀罗(FBG-Fabry-Perot, FBG-FP)传感器进行温度与应变同时测量的方法。级联FBG阵列由氩离子紫外激光器基于相位掩模板方法制作,其形成的FP干涉峰和光栅反射谱包络可以实现温度与应变的解耦。在不同的温度条件下,由FBG-FP反射谱包络10 dB带宽所对应中心波长值可得FBG-FP的温度灵敏度系数为9.5 pm/℃。分别在无应力、有应力且恒温条件下,通过解读FP干涉峰的波长变化得到该级联FBG-FP的温度和应变灵敏度系数分别为9.1 pm/℃和1.03 pm/με。实测的温度与应变值可由干涉峰波长、反射谱包络与温度、应变的函数关系求得。结果表明该FBG-FP可以实现温度与应变的同时测量。     

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。     

利用人工神经网络实现光纤布拉格光栅传感器对温度和应变同时测量

外界温度变化与光纤应变都会导致光纤布拉格光栅(FBG)的中心波长发生偏移,由此引起FBG传感器在测量时的温度与应变交叉敏感问题。运用人工神经网络理论,建立FBG测量系统的BP神经网络模型,利用Matlab的神经网络工具箱,采取含动量项的梯度下降算法对网络进行训练,结果表明收敛速度较快。对训练后的网络进行验证,温度误差最大不超过2%,应变误差最大不超过5%,很好地实现了温度与应变的同时测量。