多模光纤光栅的应变传感特性

主要对多模光纤光栅的应变传感特性进行了实验研究,实验结果表明,光纤光栅的Bragg波长随轴向应变的变化呈现出良好的线性关系,而且其重复性相当好。实验测得的应变灵敏度为0.0011nm/(×10-6),与理论计算值相符。这些特性与单模光纤光栅的传感特性基本相同,因此可以用多模光纤光栅代替单模光纤光栅制作光纤传感器以降低成本。实验结果可以作为对光纤光栅进一步深入研究的参考。     

一种新型的多模光纤应变传感器设计

利用光在多模光纤中传播时,输出光强对光纤的弯曲形变敏感的特性,制作一种新型的多模光纤应变传感器.分别在多模光纤的两端焊接单模光纤以减少外界干扰对传感系统的影响,并把多模光纤粘贴在一个弓形不锈钢片上调节传感器的响应灵敏度.试验测得装置的最大非线性度为2.9%,灵敏度为8.899μw/με(正向).表明这种传感器具有良好的应变响应特性.     

同时测量曲率和温度的高灵敏度光纤传感器

提出了一种基于光纤模式干涉仪的同时测量曲率和温度的传感器。采用多模—光纤锥—多模光纤熔接方式形成光纤模式干涉仪,多模光纤(MMF)作为耦合波导长度设置为半自聚焦长度,将纤芯中大部分能量耦合至包层中,以此激发高阶包层模式,对中间单模光纤(SMF)进行熔融拉锥处理,进一步激发高阶包层模式并控制包层损耗,增加干涉条纹消光比,从而增加传感器的灵敏度。通过检测干涉谷值波长以及干涉谷值功率的变化,实现对曲率和温度的高灵敏度同时探测,设计的光纤模式干涉仪的消光比高达40 dB,曲率灵敏度高达141.63 dB/m~(-1),温度灵敏度为71.43 pm/℃。     

熔融七芯光纤球对称的Mach-Zehnder干涉传感特性

提出了一种基于七芯光纤和单模光纤熔球对称型Mach-Zehnder干涉传感器。单模光纤端面熔接制作直径180μm光纤球,将2个光纤球中间熔接一段七芯光纤,位于Mach-Zehnder干涉结构中间的七芯光纤长度为9 mm。传感器外界环境温度、曲率的改变都会使传感器的纤芯基模和包层模的光程差发生改变,从而引起传感器干涉谱发生变化,通过监测干涉谱可以实现对外界物理量的测量。通过建立的有限差分光束传播法仿真分析结果可知:光纤球结构增加了七芯光纤的光耦合效率,七芯光纤结构的干涉效应得到了有效改善。实验结果表明:当温度在20～95℃范围内变化时,传感器的温度灵敏度为58. 97 pm/℃,线性度为0. 996 22;曲率在0～1 m~(-1)变化范围内,传感器的曲率灵敏度为2. 55 nm/m~(-1),线性度为0. 996 73。设计的传感器结构紧凑、制作工艺简单、可靠性高。     

基于光纤锥级联的Mach-Zehnder干涉湿度传感器

提出了一种基于光纤锥级联纤芯失配的Mach-Zehnder干涉湿度传感器。将两段色散补偿光纤对芯熔接光纤锥,并依次级联,再接入一段6 mm的多模渐变光纤,构成了Mach-Zehnder干涉仪,其中多模渐变光纤和芯径失配处的两个节点起到了光纤耦合器的作用。环境湿度变化,引起传感器透射谱能量发生改变。实验结果表明:透射谱波峰能量和湿度有较好的线性关系。当湿度在35%～95%RH范围内变化,传感器灵敏度为-0. 074 9 d B/%RH,线性度R2为0. 995。设计的传感器结构紧凑、灵敏度高,可以广泛应用于不同领域的湿度测量。     

光纤应变传感器的研究

本文采用在一段单模光纤两端镀膜的方法构成光纤法布里－珀罗干涉腔,导出干涉腔反射光的数学模型,给出干涉腔与其它器件连接构成的干涉式光纤应变传感器的一般理论和测量方法。     

白光干涉型EFPI 光纤应变传感器理论模型的研究

从光纤的耦合和多光束干涉的原理出发,建立了非本征型Fabry-Perot干涉仪光纤应变传感器的模型,并对其理论模型进行了详细地推导,得到了白光光源下干涉型EFPI光纤应变传感器的理论计算公式.建立了传感器系统,用LED作为白光光源得到反射光谱.实验结果表明与理论模型数值模拟相一致,验证了理论模型的正确性.     

基于细芯光纤与双球结构的干涉型光纤传感器

制作了一种基于细芯光纤TCF(Thin-Core Fiber)和双球结构的干涉型光纤传感器.在两根单模光纤的一端分别制作球形结构,两个球形结构由细芯光纤相连构成MZ干涉结构,实现了对温度、折射率、拉力3个物理量的测量.实验结果表明,温度、折射率、拉力的灵敏度分别是0.066 5 nm/℃、-33.652 nm/RIU、-0.360 8 nm/N,且线性度良好.该传感结构在环境监测、医疗卫生和安全监测等领域有着广泛的应用.     

基于珐珀的全光纤式温度传感器研究

温度是核电厂安全运行的重要参数。对全光纤式的光纤珐珀温度传感器开展了研究。在单模光纤端面熔接一段带有空气腔的多模光纤。多模光纤部分构成珐珀干涉腔,利用多模光纤形成的珐珀腔感温。在热光效应和热膨胀效应下,温度的变化引起珐珀腔中光程差的改变。试验结果表明,50℃下腔长为592.0μm的光纤珐珀温度传感器,在50~200℃温度范围下的温度灵敏度为0.01811μm/℃、线性度为0.99365。通过分析讨论,提出了两种进一步提高光纤珐珀温度灵敏度的方法。这种全光纤式的光纤温度传感器相对毛细管式光纤珐珀温度传感器具有体积更小、结构更简单的优势,在恶劣及空间狭小的环境有广阔的应用前景。     

基于光纤法布里-珀罗干涉仪的温度传感器

提出了一种基于光纤法布里-珀罗(F-P)干涉仪的温度传感器,传感器的敏感部分是一段两端研磨为平面的单模光纤,它的一端与一根单模传光光纤相接以形成一个反射面,另一端与空气接触形成另一个反射面,这两个反射面与敏感部分光纤形成本征光纤F-P干涉仪(IFPI).分析了该光纤温度传感器的温度响应特性,制作了传感器原理样机,搭建了测试平台,并对原理样机进行了测试.在25 ～30℃的范围内对传感器进行了标定,测得温度响应灵敏度为21.504·2πrad/℃,温度分辨率为0.046℃.实验结果表明:该传感器对温度有较好的线性响应和较高的灵敏度,且制作工艺简单,成本低,具有良好的应用前景.     

基片式FBG在飞机蒙皮测试中的对称补偿研究

基片式FBG传感器封装结构在应变测试中受到广泛关注,尤其是在航空航天领域,其粘贴方式对监测飞机蒙皮应变具有重要意义。为了提高基片式封装结构的FBG测量飞机蒙皮应变精度,对薄板试验件粘贴基片式FBG传感器进行力学性能研究,实验结果表明传统粘结基片式FBG传感器方式会引起被测薄板材在拉伸过程中产生非线性变形。据此,通过ANSYS有限元分析软件仿真粘贴1 mm传感单元的1.5 mm薄板静态加载过程,并进行静力学有限元优化分析,力学分析及理论推导结果显示,对称粘贴基片式FBG传感单元能够解决应变与波长非线性关系,且能够有效补偿温度对测量的影响。搭建FBG解调系统与MTS力学测试实验系统,实验结果表明,在对称补偿的布点方式下,应变测试线性度为0.998,传感单元应变灵敏度为0.946 pm/με,提高了应变测试精度,可以有效的应用到飞机蒙皮应变测试。     

一种基片式光纤光栅应变增敏传感器

针对传统裸光栅直接粘贴式应变传感器应变灵敏度小的缺陷,提出了一种基片式光纤光栅应变增敏传感器,通过设计杠杆增敏结构的封装基片实现对光纤光栅的应变增敏.该传感器具有较大的应变放大机制,其测量精度与稳定性超过了裸光纤光栅.建立了该传感器的理论感知模型,并进行了与有限元仿真分析.由等强度悬臂梁标定实验可得该传感器实际应变灵敏度为6.122 pm/με,与理论结果和仿真结果一致,且线性度达到0.99998.通过动态激振实验对该应变增敏传感器的动态响应进行研究,实验结果表明该传感器能够在0～100 Hz范围内保持一致的增敏效果,能够良好的跟踪动态应变.该传感器在大型机械装备的健康监测与故障诊断方面具有良好的应用前景.     

增敏微型FBG应变传感器设计

提出了一种两端夹持套管封装的光纤Bragg光栅(FBG)应变传感器,其结构包括光纤光栅、夹持套管、尾纤3部分,夹持套管封装的传感器尺寸小,可以改变灵敏度系数,测量精度高,适用于应变较小、受尺寸限制的室内模型试验.测试结果表明:增敏微型FBG应变传感器灵敏度高、低噪、稳定可靠,在标距范围内线性关系良好,线性度均达到0.999以上,制作工艺简单,具有很高的实用价值.     

FBG传感器在复合材料固化监测中的应用

FBG传感器广泛应用于复合材料结构健康监测中,将双光栅的FBG传感器埋入到玻璃纤维/环氧树脂预浸层合板结构中,监测热压固化过程中温度、内应力变化以及固化残余应变,分析了残余应变对FBG传感器性能的影响。实验表明FBG传感器可以有效监测复合材料结构固化过程的温度和内应力,以及由温度计算的粘度变化,为智能固化控制提供依据,且固化于复合材料结构内的传感器可用于结构的全服役周期健康监测。     

基于光纤光栅传感的根式沉井静载实验研究

应用光纤光栅传感网络测量桥梁根式沉井在破坏性静载荷实验中的应力变化。进行现场实验,根据有限元分析,多通道光纤光栅传感阵列设计安装在沉井的合适位置。根据沉井土层的分布情况,共布置10层光纤光栅传感元,每层包括8个光纤光栅应变计和1个光纤光栅温度补偿器。布置安装的光纤光栅传感系统通过对每层8个应变点的监测,可以准确测量同一水平结构层的应力变化分布。实验结果表明,光纤光栅传感网络可以在全程载荷实验过程中,监测桥墩的应力变化,为桥梁的安全运营提供了可靠的依据。     

埋入式FBG混凝土应变传感器特性研究

光纤光栅传感技术在混凝土结构健康监测中具有广泛应用前景。研究了一种埋入式光纤光栅混凝土应变传感器,从力学角度理论分析了埋入式光纤光栅应变传感器的工作原理,并对传感器的结构和制作工艺上展开了详细的分析和有限元验证,并对传感器的性能进行了试验研究,试验结果表明:该结构的传感器具有较好的重复性、一致性和温度补偿特性。     

Investigation on packages of fiber Bragg grating for use as embeddable strain sensor in concrete structure

The paper covers detailed investigation on encapsulation and packaging of fiber Bragg grating (FBG) for strain sensing of concrete structures in embeddable form. Non-uniform strain distribution due to imperfect curing of the epoxy and its effect on the FBG spectrum has been studied experimentally and correlated with theoretical simulation. For a specific package, an optimal curing condition has been found and shown to have good repeatability. The successfully packaged sensor has been embedded in a concrete structure and the response has been found to be linear. Response of the sensor under static loading condition is compared with surface mountable electrical resistance strain gauge (ERSG) and embeddable type EFPI (extrinsic Fabry Perot interferometer) fiber optic sensor. The sensor has also been tested under dynamic loading of the structure.     

一种新颖的布拉格光栅气体压力传感器的设计与实验

设计了一种将光纤光栅悬空固定结构的气体压力传感器,利用金属不锈钢菱形结构将波纹管中的压强转化成该菱形结构的应变,同时实现将菱形纵向分布的压力转化成菱形横向的应变,通过菱形结构应变直接被传递给光纤光栅,从而实现了测量波纹管内压强的目的。实验结果表明,在0～0.45 MPa范围内,光纤光栅中心波长的漂移与波纹管中的压强呈很好的线性关系,线性度可达0.99以上.在压力测量范围内,压力灵敏度系数达到1.360×10-3/MPa(相当于灵敏度2.111 nm/MPa)。     

A new method for extending rate equation based VCSEL model with multimode spectral characteristic

An accurate VCSEL model is important to evaluate the performance of VCSEL-based high speed short range optical interconnect system. Current VCSEL models show no evidence of the multimode spectral characteristic, which leads to an inaccurate performance estimation of VCSEL-based high speed optical interconnect system especially with large chromatic dispersion. To overcome this problem, we propose a new method to introduce multimode spectral characteristic into current VCSEL models, which extends the spatiotemporal multimode rate equations by calculating the wavelength shift of the VCSEL transverse modes. A VCSEL-multimode fiber (MMF) based short range optical interconnect simulation system is then built using our modified VCSEL model by VPItransmissionMaker. The symbol broadening and the BER performance of 15 Gb/s NRZ signal are tested in both left-tilted differential mode delay (DMD) profile MMF (L-MMF) and right-tilted DMD profile MMF (R-MMF). Simulation results validate our proposed method and indicate that the spectral characteristic is a key component for VCSEL models.     

飞机作动器连杆光纤光栅载荷校准方法

结构状态评估技术可为飞机活动面载荷试飞提供监测手段,以验证载荷设计方法和分析数据是否有效,并可为活动面安全性确认和结构设计优化提供最直接的数据参考。传统的应变片测量方法在低温环境下的测试不稳定性可能会导致采集数据异常,使飞行载荷实时监测及精度保证成为型号试飞的一个难题。本文利用光纤传感器低温测试性能较稳定特性,结合理论分析、有限元仿真计算及试验验证,建立连杆结构在拉、压载荷工况下的应变-载荷关系模型,并提出一种基于光纤光栅传感器的作动器连杆应变-载荷校准方法。同时,针对作动器连杆结构典型承载形式与载荷辨识工况,给出光纤光栅传感器优化布局方法。研究结果表明,本文中建立的基于光纤光栅传感器的应变-载荷反演方法有效,能够满足民用飞机典型作动器连杆结构应变监测及载荷反演需求。