光纤Bragg光栅传感网络实时监测与应变分析

作为一种绝对式传感器,波长调制式光纤Bragg光栅传感器对应变的响应为0.9pm/??。开发了基于可调谐F-P滤波器的检测仪器与计算机系统之间的实时监测系统。在对白泥井3号隧道的监测过程中,该光纤Bragg光栅传感网络实时监测系统实现了对来自隧道结构的应变状态的实时采集和描绘,并可以存储波长和应变数据以便后期查寻分析;借助分析光纤Bragg光栅传感器的应变图、三维应变图,为判断隧道二次衬砌的受力趋向提供参考。     

关于光纤光栅应力传感及解调的研究

阐述了一种新颖有效的光纤光栅微应力传感及信号解调的方法,将光纤Bragg光栅在微应变作用下产生的波长变化用于传感测量,用一对光纤Bragg光栅进行信号解调,同时进行了温度补偿.理论上分析了传感的原理,实验上得到了线性度很高的响应.研究表明,本传感系统结构简单,操作方便,灵敏度高,可以识别1 με以下的变化.     

基于光纤Bragg光栅应变传感器的量测锚杆拉力研究

由于被锚固结构自身的风化作用和锚杆自身的受力,蠕动变形等会改变锚杆的受力状态。为了实时反映锚杆的受力状态,将光纤Bragg光栅应变传感器通过引脚沿轴向焊接在锚杆的杆体上。由于锚杆杆体受力带动光纤Bragg光栅应变传感器引脚间距发生变化,使得应变传感器内的光纤Bragg光栅中心波长发生移位。通过对光纤Bragg光栅中心波长移位量的测量,可以实现对锚杆轴向拉力的在线监测。锚杆拉力试验表明:拉力灵敏度为6.5 pm/kN,线性度为1.78%FS。     

低温敏的双管式光纤Bragg光栅应变传感器的研究

机械构件由于荷载会产生应变,根据应变分布情况可以确定构件的强度信息以及所受荷载状况。研制了一种降低温度敏感性的双金属管光纤Bragg光栅应变传感器。利用内、外管材料热膨胀系数的差值,抵消光纤Bragg光栅由于热膨胀和热光效应引起的波长偏移,实现在应变测量过程中的温度补偿。内、外管之间采用螺纹结构连接,通过调整内管旋入外管的螺纹长度来调节传感器的测量范围和温度补偿效果。实验表明,该传感器的温度灵敏系数为2.62 pm/℃,是裸光栅温度灵敏度的25%;应变灵敏系数为1.215 pm/με,非线性误差为0.8%FS,滞后误差为3.6%FS,重复性误差为2.86%FS。     

光纤Bragg光栅传感器高速冲击试验研究

光纤Bragg光栅是一种性能优良的敏感元件,光纤Bragg光栅传感器在很多领域得到了应用.通过霍普金森压杆上的冲击试验研究了光纤光栅的动态响应能力.试验表明Bragg光栅能够正确响应不同频率的冲击信号,解调仪能够正确并快速解调出高速动态激励信号,同时Bragg光栅在受拉和受压时以及动态和静态灵敏度基本一致.光纤光栅传感器能够应用于武器侵彻爆炸等强冲击、恶劣环境下动态应力应变的测试.     

光纤光栅应变传感特性的研究

叙述光纤Bragg光栅的反射率与栅距，有效折射率和入射波长的关系，用Matlab描述有效折射率和栅距的变化对反射波长的影响。以此为基础阐述光纤Bragg光栅的应变传感原理，并对光纤Bragg光栅的应变传感特性进行实验研究，实验结果与理论分析结果相一致。     

一种复合材料封装光纤光栅片式应变传感器研究

设计了一种基于碳纤维复合材料封装的光纤Bragg光栅应变传感器,传感器采用片式封装,分析了传感器轴向应变分布与结构参数的关系,确定了其结构尺寸。试验研究表明:该传感器主要性能指标能满足混凝土应变测量的需要。     

光纤Bragg光栅传感器在应变测量中的温度补偿

由于光纤光栅Bragg波长对温度与应变均敏感,它本身无法区别温度和应变引起的波长变化,导致温度和应变的交叉敏感问题制约其发展。因此,在用光纤Bragg光栅传感器进行应变测量中,必须采取措施进行温度补偿。该文介绍了几种温度补偿方法及其工作原理和特点,并举实例说明其具体实施方法。     

光纤Bragg光栅流量传感器

采用靶式结构作为光纤Bragg光栅流量传感器的换能元件,其中两片光栅分别粘贴于等强度悬臂梁的上下两表面。采用双光栅粘贴方式对传感器进行温度补偿,有效的解决了应变与温度交叉敏感的问题,提高了测量灵敏度。实验表明该靶式光纤Bragg光栅流量传感器的载荷响应灵敏度为33.6pm/kg,测量精度为0.5%。     

基于FBG磁场传感方案的研究

光纤Bragg光栅(FBG)传感技术较其它光纤传感技术有独特的优点,因此更具有研究的价值.本文基于光纤Bragg光栅的应变敏感性和磁性材料的磁致伸缩效应,提出了将光纤Bragg光栅应用于磁场传感测量的方案,并论证了其可行性.     

气体压力式FBG温度传感器设计

针对基于电信号传输的温度传感器难以在石油、化工、变电站等高危环境中做检测的问题,设计了气体压力式光纤Bragg光栅(FBG)温度传感器.采用气体压力式结构,在等强度悬臂梁上下表面的中心轴线上各粘贴一只具有相同敏感系数的FBG,分析了该温度传感器的工作原理,建立了其理论数学模型,并组装了传感器.通过对设计的气体压力式FBG温度传感器进行升降温实验测试,得到传感器的静态性能特性:传感器的线性度为3.59％FS,升温过程中灵敏度为10.14 pm/℃,降温过程中灵敏度为9.99 pm/℃.     

铠装光纤Bragg光栅温度传感器的研究

裸光纤Bragg光栅(FBG)的温度灵敏度约为10pm/℃。在铠装FBG温度传感器中,光栅粘贴于热膨胀系数较大的金属片(如Cu和Al)表面的线槽内。金属片受热膨胀将衍生出光栅的轴向热应变,从而提高光纤光栅的温度响应灵敏度。在采用波分复用技术中的FBG的传感网络方案中,串联的3只光栅均置于温度控制器中。实验表明:当温度从20℃升至80℃时,Cu制和Al制铠装FBG温度传感器的表观温度灵敏度分别约提高34. 3, 42. 7pm/℃,测量重复性分别为2. 3, 2. 8pm。     

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.     

深度可调式FBG变压器油温传感器研究

油浸式电力变压器顶层油温超过允许限值时表示该变压器处于非正常运行状态。研制了一种深度可调式光纤Bragg光栅(FBG)油温传感器。该传感器中FBG处于悬空状态,其中心波长的变化只受到温度的影响,通过油浸式电力变压器顶部的管座,将该传感器浸入变压器的顶层油中,旋拧铜管外侧的调节螺母以调节传感器浸入变压器油中的深度,对该传感器中FBG的中心波长进行实时监测即可实现对变压器顶层油温的在线监测,反映变压器的运行状态。实验表明:该传感器的灵敏度为9.8pm/℃,重复性误差为1.78%FS,非线性误差为2.4%FS,滞后误差为1.5%FS。     

旋转式FBG粘度仪的研制

为测量液体的粘度,设计并研制了一种基于旋转式的高灵敏度且抗电磁干扰的光纤 Bragg光栅（ FBG）粘度仪。该粘度仪传感器部分由弹性空心圆柱体与定子相连接组成,光栅贴于弹性空心圆柱体内壁。经计算得,该粘度仪的灵敏度为80 pm/（Pa·s）。用蜂蜜和食用油进行实验,在旋转速度同为120 rad/min的条件下,测得的平均动力粘度分别为10.15 Pa·s与6.6 Pa·s。实验结果表明：旋转式FBG粘度仪的测量结果在合理范围以内。     

基于平面膜片的高灵敏度光纤Bragg光栅压力传感器

提出了一种新颖的利用粘贴于平面圆形膜片环向上的光纤Bragg光栅来实现压力传感测量的高灵敏度压力传感器。推导了该传感器波长与压力之间的关系,得到了该传感器的压力响应灵敏度的解析表达式。从实验上获得了-4.8549fm/Pa的压力响应灵敏度,是裸光纤Bragg光栅压力响应灵敏度的1618.3倍。该传感器的压力响应具有很好的线性。同时指出,该传感器的压力响应灵敏度随着膜片的大小、材料的力学参量、光纤Bragg光栅粘贴位置的改变而改变。     

差动式杠杆增敏结构FBG倾角传感器

研制了一种差动式杠杆增敏结构光纤Bragg光栅(FBG)倾角传感器,轻质杆通过杠杆增敏加压原理把质量球的倾斜量转化为悬臂梁的挠度变化,最终引起FBG波长的变化.推导了其数学模型,根据理论计算的数据加工传感器,并对该传感器进行了倾角标定实验和重复性实验.实验结果表明:FBG倾角传感器量程范围-40°～40°,倾角传感器的灵敏度为28.6 pm/(°),拟合度R2为0.997,重复性为0.92％.     

温度自补偿型光纤Bragg光栅土压力传感器设计

针对传统土压力传感器长期稳定性差、抗电磁干扰能力不强以及组网难度大等问题,根据传感器与土介质的匹配原则,设计了一种光纤Bragg光栅（FBG）温度自补偿土压力传感器,可实现温度和土压力2个参量的同时测量.对传感器灵敏度系数、匹配性等参数进行了理论分析计算.根据分析结果,加工封装传感器并对其进行了压力校准和温度自补偿性能实验.实验表明：传感器的输出波长分别与温度和土压力均呈线性关系,压力灵敏度系数为272.19 pm/MPa,输出分辨率为0.36％,线性相关度为99.989％;温度灵敏度系数为21.16 pm/℃,线性相关度99.998％,在0～40℃范围内具有良好的温度自补偿能力,其性能参数符合工程应用要求.     

一种实时校准的光纤Bragg光栅传感器解调系统

为了提高光纤Bragg光栅（FBG）传感器阵列的信号解调精度,基于窄带光源问讯解调原理,提出了引入带标记热稳定标准具模块来实现实时校准的方案,利用12位A／D采集模块将信号采入计算机,在虚拟仪器软件LabVIEW下处理信号,峰值检测方法为分段寻峰。实验表明：该方案对FBG传感器中心波长位移的最大解调精度为1pm,相对于无实时校准模块方案下的解调精度提高了10倍以上,在应变为1×10^-4的范围内,测量误差小于1.5×10^-6。     

光纤光栅压力传感器及其温度效应研究

根据Bragg光栅方程,讨论了光纤Bragg光栅(FBG)压力传感机理及温度对光纤光栅反射波长的影响;通过裸光栅的罐状聚合物封装,在0～20MPa的范围内,使光纤光栅的压力灵敏度提高为-42.0am/Pa,是裸栅的17.3倍,可作为恒温时较高压力环境下使用的传感器;经实验结果分析,100℃以下的温度范围内,封装后的FBG受温度影响效应变为裸栅的4倍,反射波长与温度亦具有良好的线性关系。指出非恒温环境下的压力测量应考虑对传感器反射波长随压力变化曲线进行线性修正,以实现对压力的准确测量。