LPFG和FBG级联结构双参数光纤传感器研究

提出了一种长周期光纤光栅(LPFG)级联布拉格光纤光栅(FBG)的温度/应变双参数光纤传感器。利用飞秒激光直写制作LPFG并级连FBG,且FBG波谷位置为1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 559.1 nm,最高对比度为-12.7 d B。在30~70℃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0~500με应变变化范围内对传感器应变特性进行测试。实验结果表明,升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度15.00 pm/℃,线性度0.981 3;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-11.75 pm/℃,线性度0.945 3。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度18.25 pm/℃,线性度0.953 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-15.42 pm/℃,线性度0.980 2。加载过程FBG中心波长发生红移,灵敏度0.93 pm/με,线性度0.991 5;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.986 3。卸载过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度0.92 pm/με,线性度0.990 9;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.972 8。结果表明,该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现应变和温度的测量。     

管式封装FBG大量程温度传感器及其特性研究

针对工程温度测量问题,提出了一种光纤光栅温度传感器的管式封装方法。利用耐高温AB胶将裸光栅粘贴于铜管内壁,实现增敏效果。首先简述了光纤光栅温度传感原理及其增敏模型,然后搭建了相应的温度实验平台,并且实验研究了铜管封装FBG温度传感器与裸光栅的温度感知特性。实验结果表明:在-40℃~120℃的区间范围内,铜管封装FBG温度传感器的灵敏度达到25 pm/℃左右,与理论值相符,且相较于裸光栅具有更高的灵敏度与线性度。该温度传感器具有良好的温度感知特性,可以应用于工程温度的检测。     

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。     

光纤布拉格光栅压力传感的分析与计算

为了检测光纤布拉格光栅(FBG)对压力响应的灵敏度和可重复操作性,根据FBG传感的原理,分别讨论了其温度和应变传感特性。通过实验测量了FBG轴向应力与中心反射波长的关系,得到两者之间呈良好的线性关系,光栅的轴向应变灵敏度为0.013pm/μm。将FBG黏贴在一圆柱杆上,测量了压力增大和减小时FBG中心波长的变化,拟合得到线性度分别可达到0.999 0和0.999 9,压力响应灵敏度均为4.8×10~(-3) nm/MPa,并计算出中心波长实验值的相对误差为2.05%,同时分析了误差存在的主要原因。     

基于聚合物封装的光纤布拉格光栅压力传感器

设计并研究了一种光纤布拉格光栅压力传感器,FBG1与FBG2串联连接,其中FBG1直接封装于聚合物之中,而FBG2先粘贴于弹性基体上再封装于聚合物之中。推导了传感器的灵敏度和解耦算法,并且使用有限元法计算了本传感器压力灵敏度和温度灵敏度,最后对传感器进行了实验验证。实验结果表明FBG1和FBG2的压力灵敏度分别为197.4 pm/MPa和95.7 pm/MPa,温度灵敏度分别为47.2 pm/℃和36 pm/℃,具有良好的线性度,较小的回程误差,并且符合该传感器感知的压力和温度解耦条件。同时,随着聚合物小圆环直径增加,基体的应变量越来越大,并趋近于没有基体时聚合物的应变量。研究表明,较之传统的聚合物封装的光纤光栅压力传感器,本传感器的聚合物与套筒不易脱落,两者之间的非固结连接可以增加传感器灵敏度,并且本传感器具有温度补偿功能。     

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。     

应变解耦增敏式FBG温度传感器的设计与应用

为了实现飞机载荷谱飞行实测中对温度参数的精确测量,设计了一种应变解耦增敏式光纤光栅（fiber Bragg grating,简称FBG）温度传感器。通过力学建模分析设计新的传感器结构,对传感器的光纤光栅进行增敏处理,选取铝7075-T6为基底进行全覆盖式封装,提出光纤光栅封装位置与结构件之间无直接接触方式,排除结构形变对温度传感器带来的影响。经标定测试传感器温度灵敏速度为40.4 pm/℃,是普通光纤光栅的4倍。搭建实验系统进行其性能探究以及在拉伸实验机上进行解耦特性验证,拉伸实验件的变形对该温度传感器没有影响,与理论分析相符,最终将传感器贴于飞机座舱中进行实际工程应用。实验表明,传感器测得的温度差最大不超过±1 ℃,表明设计的传感器可以用于实际温度测量中,满足在飞机载荷谱飞行实测中温度参数精确测量的需求。     

具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器

提出了一种基于铽镝铁(TbDyFe)的具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器。传感器由光纤布拉格光栅(FBG),拱形微纳光纤和TbDyFe组成,拱形微纳光纤通过紫外胶(UV glue)粘接在TbDyFe上。与非拱形微纳光纤相比,拱形光纤可将TbDyFe的伸长转化为光纤曲率半径的变化,引起干涉波长偏移,从而实现磁场灵敏度的提高。随着磁场强度升高,拱形微纳光纤的干涉波长蓝移,灵敏度为47.81 pm/mT,FBG对磁场不敏感,拱形微纳光纤传感器的磁场灵敏度比非拱形高11.66倍。升温过程中拱形微纳光纤的干涉波长发生蓝移,温度灵敏度为43.02 pm/℃,FBG的干涉波长发生红移,温度灵敏度为9.34 pm/℃。磁场传感器显示出良好的重复性和线性,级联的FBG对磁场不敏感,可以实现对磁场传感器的温度补偿。     

用于真空环境的光纤光栅温度传感器设计

光纤光栅传感器在航空航天领域有着广阔的应用前景,为了实现在航空航天真空环境下对卫星结构进行温度测量,对光纤光栅进行了特殊封装结构设计,在准确采集温度数据的同时,排除了结构应变对测量结果的影响,并对设计进行了有限元仿真分析。在-60-60℃的温度环境下,这种新型封装光纤光栅温度传感器的测试线性度为0.998,温度灵敏度为14.87pm/℃。为了验证其解耦特性,在MTS拉伸试验机上进行了测试,试验结果表明:结构形变带来的应变对该温度传感器没有影响,与理论分析相符。将其运用到实际真空环境进行对比验证,实验精度达0.15+0.002|t|℃。     

准分布式光纤传感输电线路安全监测技术

针对电力行业安全监测技术中常用的电学传感器易受干扰的问题,设计了一种基于抗弯拉光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器和波分复用(WDM)技术的准分布式输电线路安全监测系统.采用不受力的两端点粘封装方式对传感器进行封装,解决了温度与应变交叉敏感的问题.采用光纤布拉格光栅串并联加波分复用的方式,实现单系统320个测点的同时监测.试验结果表明,所研制的光纤布拉格光栅温度传感器灵敏度为11.2 pm/℃,可用于输电线路温度的长距离实时在线监测,满足电力系统安全运行监测的需求.     

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。     

一步超声法金属化封装FBG的传感特性

为解决传统胶封传感器普遍存在的蠕变、老化问题,本文提出基于一步超声法的光纤光栅表面金属化封装方法。在相同条件下分别对有聚酰亚胺涂覆层和无涂层的两种FBG进行金属化封装,研究了封装后FBG传感器的光谱、热学和力学特性,并利用扫描电子显微镜对其横截面的微观形貌进行了表征。结果表明:封装后有涂覆层FBG的反射光谱无明显畸变、边模抑制比大于10 dB,温度灵敏系数达34.63 pm/℃,应变灵敏系数为1.18 pm/με,应变传递效率达98.5%,线性度达0.999,均优于无涂层的FBG传感器。当温度从14.2℃突变到80℃经过多次冲击试验,发现金属化封装无涂层的FBG的温度增敏结构被破坏,而有涂层的FBG传感器仍保持优异的温度响应特性。SEM图显示,金属合金与有无涂覆层的光纤和金属基底都结合致密。该方法无需对光纤进行表面金属化预处理,操作简单易行,在恶劣环境、超长服役时间的光纤传感应用领域中具有重要的价值。     

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。     

A diaphragm-type fiber Bragg grating pressure sensor with temperature compensation

A diaphragm-type fiber Bragg grating (FBG) pressure sensor with two bare FBGs directly bonded on a circular diaphragm along the radial direction has been proposed and studied. Measurement principle and simulation analysis of the pressure sensor are introduced. Using the wavelength shift difference of the two FBGs which respectively measure the positive and negative strain as sensing signal, the pressure sensitivity is increased and the temperature cross-sensitivity is compensated. Experimental results indicate that the measurement sensitivity is 1.57 pm/kPa in a range from 0 to 1 MPa, the correlative coefficient reaches 99.996%, and the temperature compensation performance is distinct. This kind of pressure sensor could be used to measure and monitor the static/dynamic pressure of gas or liquid.     

Application of Fabry-Pérot and fiber Bragg grating pressure sensors to simultaneous measurement of liquid level and specific gravity

An approach is proposed for obtaining simultaneous measurements of the level and specific gravity of a liquid using a dual-pressure-sensor system comprising a fiber Bragg grating (FBG) pressure sensor and a Fabry-Pérot (FP) pressure sensor. In the FBG sensor, the pressure is derived from the FBG wavelength shift induced when the sensor is immersed in the liquid. Meanwhile, in the FP sensor, the pressure is calculated from the change in cavity length which takes place when the sensor is immersed. The advantageous concept of the dual-pressure-sensor system is atmospheric pressure compensation. The experimental results show that the FBG and FP pressure sensors have sensitivities of 0.1495 nm/kPa and 0.1569 μm/kPa, respectively. Analytical formulae are derived for the level and specific gravity of the liquid in terms of the FBG wavelength shift, the change in cavity length, and the vertical separation distance between the two sensors.     

基于温度补偿方法去敏的新型光纤光栅压力传感器

本文阐述了一种带温度补偿、基于平面薄板结构的新型光纤光栅压力传感器.作为弹性体的压力敏感薄板,其硬心通过一L型刚性位移传递机构拉动压力敏感FBG;温度去敏通过被动温度补偿和残留温度效应实时修正来解决.传感器性能指标测试如下:重复性0.066%FS,回程误差0.846%FS,线性度0.102%FS,传感器精度±0.591%FS;在-30℃到+80℃范围内,传感器零点漂移为+1.720 8%FS,灵敏度漂移为+0.010 4%FS,传感器温漂为+1.731 2%FS.     

高精度弓型光纤光栅微位移传感器

为了测量控机床结构件、微加工工作台的微小变形量,设计了一种高精度弓型光纤布拉格光栅(FBG)微位移传感器。将光纤布拉格光栅的栅区部分粘贴在弓型上下壁处,当弓形件发生变形时,可测出上下壁的应变值,从而测得位移值并进行温度解耦。实验结果表明,在量程为1mm时,传感器的灵敏度为2.02pm/μm,线性相关系数为0.998 3,实验的迟滞误差为4.08%,重复性误差为4.08%。在温度补偿实验中可以看出,当温度上升1℃,波长漂移量不到1pm。类似于弓型结构衍生出一种半弓型结构的位移传感器。两类传感器相比,弓型传感器的温度灵敏度比半弓型传感器小0.001 5pm/μm,温度补偿效果更好;但半弓型传感器的线性度为0.4%,线性度比弓型传感器好。两种传感器均满足测量值稳定可靠、精度高、抗电磁干扰能力强,温度不敏感等要求。     

Fiber Bragg grating temperature sensor for practical use

Fiber Bragg grating (FBG) is a promising measurement technology for future sensor system applications. Little attention has been given to the FBG sensor housing, however it is important that the FBG is embedded in a conventional electrical sensor housing so that it may be installed easily in instrumentation systems. We have experimentally fabricated a practical pass-through type FBG temperature sensor which is embedded in the conventional thermocouple housing. A small radius U-turn fiber spliced to the FBG is placed inside the top of a stainless sheath. Employing a high numerical aperture fiber with polyamide recoating, we have determined that the bending loss of the small radius U-turn fiber and heat resistance is less than 0.1 dB and up to 250 degrees C respectively. The wavelength shift of this sensor due to temperature change is 10.3 pm/degrees C equal to that of general FBG. Consequently the practical use of this sensor has been confirmed.     

化学镀Ni-P光纤布拉格光栅的均匀轴向拉力响应

研究了化学镀Ni-P涂敷后光纤布拉格光栅(ENFBG)的均匀轴向拉力响应特性.利用其轴对称特性,分析了光栅的应力及应变状态;采用有限元方法数值分析了光栅应变,并实验验证了数值分析结果.数值分析表明:处于纤芯处的光栅被均匀拉伸,剪应变远小于正应变,可忽略;正应变与轴向拉力成正比,ENFBG中心波长的变化正比于均匀轴向拉力变化;但由于化学镀层与光纤力学特性的差异,镀层对FBG轴向均匀拉力响应起去敏作用.当化学镀层厚度为7.25μm时,ENFBG的均匀轴向拉力实测灵敏度为12.45 pm/MPa,相关系数为0.999 6,理论计算值为12,744 pm/MPa,但随着镀层厚度的增加,灵敏度呈下降趋势.镀层在为FBG提供良好保护的同时,ENFBG中心波长对于轴向拉力保持线性响应.实验显示ENFBG是性能良好的轴向拉力传感器.     

Multiplex and simultaneous measurement of displacement and temperature using tapered fiber and fiber Bragg grating

A simple method to work out the multiplexing of tapered fiber based sensors is proposed and demonstrated. By cascading a tapered fiber with a fiber Bragg grating (FBG), the sensor head is provided with a wavelength identification, different FBGs provide the sensor heads with different reflective peaks and they can be distinguished in optical spectrum. By compositing several such sensor heads with a multi-channel beam splitter, a star-style topological structure sensor for multipoint sensing is achieved. At the same time, the output intensity at the peak wavelength is sensitive to one external physical parameter applied on the related FBG-cascaded tapered fiber and the central wavelength of the peak is only sensitive to temperature, so that that parameter and temperature can be measured simultaneously. A sensor for dual-point measurement of the displacement and temperature simultaneously is experimentally demonstrated by using a 2 × 2 coupler in this paper. Experiment results show that the sensor works well and the largest sensitivities reach to 0.11 dB/μm for displacement in the range of 0-400 μm, and ～0.0097 nm/°C for temperature between 20 °C and 70 °C.