基于布拉格光纤光栅的微位移传感器的研究

微位移测量是目前热点研究领域,光纤布拉格光栅作为良好的传感元件,已被用于微位移测量领域。本文首先对布拉格光纤光栅传感的基本原理进行了分析,在此基础上设计制作了一种光纤光栅位移传感器。采用布拉格光纤光栅作为传感元件,利用自解调法进行波长解调,然后设计一整套传感系统,对微位移量进行了传感测量。利用激光干涉仪和PI微动平台对系统性能进行测试,实验结果显示传感系统分辨率达到50nm,系统回零重复性的误差26nm,系统的灵敏度为21mV/μm,最大非线性引用误差为2.45%。     

FBG级联MZI的温度和酒精溶液浓度传感特性研究

为了测量白酒蒸馏过程中的温度和酒精溶度,制作了一种基于马赫曾德仪(MZI)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的可同时测量温度和酒精溶液浓度的光纤传感器。FBG是利用飞秒激光逐线刻写的方式在单模光纤(SMF)中制作的周期为2.2μm,布拉格波长为1 591.21 nm,透射谱深度可达23 d B的4阶光纤布拉格光栅;MZI是将细芯光纤和SMF采用纤芯错位和锥腰扩大熔接技术制作的腔长为8.7 mm,对比度为28.5 d B的透射式光纤干涉传感器。基于多光束干涉理论对传感器的温度和酒精溶液浓度传感特性进行分析,利用MZI干涉波谷与FBG透射峰的灵敏度差异,结合灵敏度系数矩阵实现对温度和酒精溶液浓度的同时测量。实验中,传感器的酒精溶液浓度和温度灵敏度分别可达-41.37 pm/%和58.96 pm/℃。该传感结构在白酒酿造产业有潜在的应用前景。     

基于光纤布拉格光栅的二维力传感器设计及实验研究

针对目前多维力传感器难以同时兼顾电磁干扰、接线复杂、维间耦合较大及灵敏度较低的问题,设计了一种基于光纤布拉格光栅的二维力传感器。首先,基于光纤布拉格光栅传感理论和简支梁弯曲变形理论,设计了十字横梁结构的传感器弹性体,并揭示光纤光栅传感器波长漂移量与力的映射关系;其次,采用有限元分析方法研究弹性体的应变分布特性,确定光纤布拉格光栅最佳封装位置;最后,搭建了实验标定平台,对传感器的灵敏度、线性度、维间耦合误差以及重复性误差进行实验研究。实验结果表明,该传感器x、y方向的波长灵敏度分别约为7.464、7.520 pm/N,线性度分别约为3%、2%,维间耦合误差分别约为1.01%、0.218%,重复性误差分别约为4.898%、5.828%。该传感器可应用于机器人腕部二维力测量,对提高机器人关节的高精度控制反馈具有重要意义。     

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%。     

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。     

基于光纤光栅的小量程称重传感器设计

设计了一种小量程光纤布拉格光栅称重传感器,采用双孔单槽式悬臂梁型弹性体结构,并利用有限元软件ANSYS对弹性体结构进行优化设计,以满足小量程设计要求。采用四片光纤光栅布片方式,提高了传感器的灵敏度,并利用正应变和负应变的光纤光栅信号进行叠加,以补偿温度的影响。对传感器进行加载卸载实验,并对所设计的传感器进行了整体性能分析,实验结果表明,传感器的称重范围为0-4kg,线性度误差小于0.9%,温度补偿达到了一定效果,性能稳定,证明了设计方法的可行性。     

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。     

双悬臂梁结构的光纤光栅位移传感器设计

为克服现有光纤光栅位移传感器设计中存在的温度—位移交叉影响、悬臂梁易产生横向偏移等对测量精度的不利影响,提出了一种温度解耦的双悬臂梁式光纤光栅位移传感器。推导传感器的位移测量原理并进行有限元仿真分析,得出梁挠度与位移变化成线性关系。通过对比双悬臂梁不同位置处光纤光栅组合测位移的线性度、灵敏度和重复性误差,结果表明:采用双悬臂梁上表面双向拉伸光栅测量位移时,效果最佳;所设计的光纤光栅位移传感器最大量程可达55mm,灵敏度可达47. 3035pm/mm,最大重复性误差仅为0. 491%,在结构健康监测中具有良好的应用前景。     

光纤光栅压力传感器实验研究

文中提出了一种新颖的光纤布拉格光栅压力传感器,它是利用光纤布拉格光栅(FBG)对应变的传感特性,将光纤布拉格光栅粘贴于C型压力弹簧管上的特定位置,通过光纤布拉格光栅反射波长的变化,来实现对压力的测量。该传感器灵敏度的实验值和理论值分别为0.671nm/MPa和0.791nm/MPa,且具有很好的线性度,迟滞很小,有一定的发展前景。     

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。     

面向纹理识别的便携式触觉传感器设计

本文设计了一种面向纹理识别的便携式触觉传感器,该传感器利用光纤光栅(FBG)识别检测不同的纹理和滑动接触速度,且便于机器人系统集成,同时对硬件和软件配置要求低,受环境影响小。在三维建模基础上对传感器结构进行静力学分析并优化,提高FBG对力觉信息的灵敏度;专门设计并搭建了实验平台,对传感器进行静力标定实验和复杂多纹理表面检测实验。通过实验数据的时频分析,验证了该传感器可以识别不同的滑动接触速度和不同的纹理。在该传感器中,FBG3的灵敏度最高,加载时,平均灵敏度约为51.1 pm/N,线性度为0.998;卸载时,平均灵敏度约为50.8 pm/N,线性度为0.998。FBG2的重复性误差和迟滞性误差最大,分别为2.35%和2.23%。     

滑动式光纤布拉格光栅位移传感器

为克服现有光纤光栅位移传感器设计中存在的传力介质弹性系数易改变、滑块易产生偏移等对测量精度的不利影响,提出了一种滑动式位移传感器。楔形滑块的滑动面和限制面的采样互相垂直、等强度梁的变截面和一体化、滑动面圆弧化等特殊设计,使传感器具有抗滑动干扰性、梁挠位移测量的高灵敏性、长期往复测量的耐磨性等优点。阐述了传感器测量原理,加工制造了传感器原型,并开展了全面的性能测试。测试结果和误差分析表明:传感器在0~100mm的量程中,灵敏度为20.11pm/mm,精度达到0.099 5%F.S,具备良好的微位移测量能力;重复性误差和迟滞误差分别仅为0.705%和0.403%,且抗蠕变性能良好,可满足机械装备、土木工程等重大设施的结构健康监测对位移、变形测量的精度和长期稳定性要求。     

一种表面结构多尺度融合测量系统

提出了一种表面结构多尺度融合测量系统,该系统将显微图像测量、垂直扫描白光干涉测量、白光干涉纳米探针测量和白光干涉金刚石探针测量等多种不同尺度的表面结构测量方法融合在一起。实验结果表明,显微图像测量对300μm标准玻璃线纹尺的示值误差为-0.251μm,标准偏差为0.4013μm;白光干涉测量对1.26μm和3.33μm单刻线样板的测量平均值分别为1.263μm 和3.328μm,示值误差分别为0.003μm和 -0.002μm,示值相对变化量为1.27%和0.63%;白光干涉纳米探针对高度为（106.8±1.0）nm的校准光栅测量平均值为103.1nm,相对示值误差为-3.5%;白光干涉金刚石探针测量对Ra=4.08μm样板的测量值为4.05μm,测得值的相对误差为0.74％。所提出的测量系统满足表面结构的多尺度融合测量要求。     

基于弓形梁增敏结构的FBG振动传感器研究

利用光纤光栅(FBG)随弓形梁弯曲变形的敏感特性,通过设计特制的增敏结构,研制了一种基于弯曲特性的FBG振动传感器.根据ANSYS数值分析和实验结果表明,在加速度0～5g、工作频率0～40 Hz范围内,传感器加速度特性曲线呈现良好对应关系,灵敏度可达458.1 pm/g,精度约0.002 g.该传感器系统采用双光栅形式实现了温度补偿,且在所测加速度范围内显示出较好的灵敏度和重复性,频响误差小,能够满足航空结构振动监测与控制需求.     

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。     

Added advantages in using a fiber Bragg grating sensor in the determination of early age setting time for cement pastes

A fiber Bragg grating (FBG) sensor was used to monitor the early age curing temperatures of cement paste. Additional advantages in using the sensor were highlighted. The FBG was inscribed by a Continuous Wave 244 nm argon ion laser in the photosensitivity fiber. The fabricated FBG was calibrated from room temperature to 105 °C. In this temperature range, the FBG was found to be good in terms of both the sensitivity and linearity which were around 9 pm/°C and 99.9%, respectively. A host specimen with ratio of Portland cement, sand and water of 800, 500, and 275 ml by volume was used in the experiment. Results showed that the FBG could determine the initial and the final early age setting times. The initial early age setting time for the cement paste was about 5 h and the final early age setting time was about 14 h after casting.     

Fiber optic displacement sensor with a large extendable measurement range while maintaining equally high sensitivity, linearity, and accuracy

This paper presents a fiber optic displacement sensor composed of a transmissive grating panel, a reflection mirror, and two optical fibers as a transceiver. The proposed fiber optic displacement sensor guarantees a stable reflected signal acquisition for application in real industrial fields. Through a parametric study of the grating pitch of the transmissive grating panel, the signal-to-noise ratio, linearity, resolution, accuracy error, and sensitivity of the proposed sensor were investigated. The measured bidirectional movement demonstrated a peak to peak accuracy of 10.5 μm, high linearity of 0.9996, resolution of 3.1 μm at the full bandwidth, signal-to-noise ratio of 27.7, and high sensitivity of 31.8 μm/rad during a movement of 16,004.0 μm using the transmissive grating panel, which had a grating pitch of 200 μm. Even for an extended measurement range, the proposed scheme enables the same accuracy, linearity, and sensitivity to be maintained when compared with conventional laser displacement sensors and fiber optic displacement sensors.     

高能激光反射镜热变形补偿

研制了一套由压电陶瓷驱动器、压力传感器、环状力施加机构和控制电路组成的反射镜动态热变形补偿系统用于补偿激光反射镜热变形球差。圆形反射镜在两个同轴不同半径的环形力作用下,其内环区域产生曲率可变的抛物面形变,由此补偿反射镜热变形带来的球差项。对镜体进行了有限元数值计算,建立了变形量与沉积热量与受力的关系。采用口径为100mm,厚度为8mm平面反射镜进行了受力-变形以及辐照-受力-变形实验,利用干涉仪对面型进行监测。研究表明,在不同推力作用下,有效区域内变形始终保持抛物面形。给出了推力-面型变化曲线,在225N推力下,中心最大变形超过3μm。在不同热沉积量下,镜体中心位移和受力保持线性关系,力-变形系数为0.013μm/N。