一种增敏型光纤光栅应变传感器的开发及应用

提出了一种基于两端夹持封装技术的光纤光栅应变传感器.该传感器具有应变放大机制,测量精度超过了裸光纤光栅,而且通过改变封装工艺参数可以调节应变传递率.这种传感器既可以埋入结构中也可以通过辅助构件构成夹持式传感器.利用万能试验机对该传感器进行了应变性能标定实验,研究了不同基体材料上传感器的应变灵敏特件,并与理论分析结果作了对比.这种光纤光栅应变传感器在高层大厦模型地震试验中进行了检测.试验结果表明,基于两端夹持封装技术光纤光栅传感器具有良好的灵敏度、低噪、牢固可靠以及测量长期稳定性好的优点,是动载环境下工作的结构长期安全监测的理想器件.     

光纤光栅微型倾角传感器研究

介绍了一种温度不敏感的光纤光栅二维倾角传感器,该传感器是由4个正方形排列的单模光纤组成。首先在两个单模光纤中分别写入两个级联的光纤光栅,并且这两个光纤被固定于两个正交的平面。然后将4个单模光纤粘贴在一起,形成光纤束。最后将合成的光纤束插入陶瓷插芯中,并保证级联的两个光纤光栅分别位于陶瓷插芯内外。通过测量两个级联光纤光栅的中心波长间距,实现二维温度不敏感的倾角传感。实验表明,该传感器在-30°到﹢30°范围内,其中心波长差与倾斜角度数之间满足良好的线性关系,灵敏度为0.017 nm/°,分辨率可达到0.58°。     

用光纤光栅改进射频光纤系统的传输性能

提出了两种基于光纤光栅以减小ROF(radio over fiber)系统中光纤色散引起的微波功率衰落的方法.第一种为采用窄带光纤光栅滤波实现微波信号的残余边带调制,另一种为采用啁啾光纤光栅实现光纤色散补偿.实验测量并比较了这两种方法与传统双边带调制时ROF系统传输性能的变化.结果表明,窄带光纤光栅和啁啾光栅均能有效减小ROF系统中的光纤色散效应.     

随机折射率调制光纤光栅中的模式耦合分析

对随机折射率调制的光纤光栅进行了理论建模,将随机光纤光栅看作是长、短周期均匀光纤光栅的随机线性组合.分别利用传输矩阵法和光束传播法计算了随机间距均值为20μm的随机光栅的反射和透射特性,证实了随机光栅中同时具有前后向纤芯基模的耦合以及纤芯基模与包层模式之间的耦合,验证了所提出的线性组合的理论模型.文中还进行了随机光栅的实验研究,采用飞秒激光器在1 cm的单模光纤中写入了具有500个随机间距在10~20μm的折射率调制点的随机光栅,并测量了该随机光栅的反射和透射光谱.实验结果进一步验证了理论模型的准确性.     

基于光纤光栅传感器的低压台区全景化感知技术

针对低压台区设备种类繁多、通信接口各异,很难有效地接入电力物联网中,导致无法感知低压配电台区的工作状态及运行情况的问题,采用了光纤光栅传感器实现低压台区全景化感知。通过光纤光栅传感器测得的应变值作为观测信号,引入梁状态方程,利用有限元软件实施离散化处理,降低传感器的使用噪声。在低压台区将镜头处于平面内采集周围环境信息,运用载波信号传输的多径效应推导满足压缩感知条件正交频分复用的多径传输信道,根据全景化感知技术将多径信道估计问题合理转换为压缩感知信号重构问题,验证了感知技术的性能。实验结果表明,所提方法在运行时能够节省大量时间,感知效果较好,具有良好的性能、显著的优越性以及实用性。     

高初始分辨率的光纤光栅横向负载传感

要提出了一种对光纤布拉格光栅(FBG)在横向斥力负载条件下的谐振波长分裂进行高灵敏检测的方案，并进行了实验研究。采用偏振分束器和偏振无关的光纤迈克耳逊干涉仪组成检测系统，利用相位调制技术．将光纤布拉格光栅的谐振波长分裂的检测转化为相位差的测量，从而大大提高光纤光栅横向压力负载传感的初始分辨率。利用该系统进行横向斥力负载传感实验，得到0．025N／mm横向负载初始分辨能力。     

光纤布里渊与布喇格光栅共线技术的温度互补偿

为了解决实际工程应用中光纤光栅和分布式布里渊共线技术测试应变的绝对温度补偿方法成本较高、不易布设等问题,采用光纤布里渊和布喇格光栅共线技术应变感知的温度互补偿方法,通过感知探头——双光纤光栅-纤维增强复合智能筋的室内和户外温度补偿试验探讨了该方法的有效性和适用性。结果表明,该方法可以实现光纤布里渊和光纤光栅的准分布式温度互补偿,误差低于8%,在工程接受范围内。此外,该技术还能同时给出应变和温度双参量测试结果,简化了传感系统,降低了布设成本,适合实际工程应用。     

基于偏振检测的边孔光纤光栅双峰间距的测量

根据边孔光纤光栅两反射峰偏振态相互正交的特性，提出了一种新颖的基于偏振检测的双峰间距测量方案。该方案采用全保偏光纤系统和偏振器实现了2个反射峰中心波长的分别检测，从而达到双峰间距的测量目的。采用该方案解决了普通波长扫描技术中存在的由于双峰间距较小而导致不能有效测量双峰间距的问题，成功实现了在0．0～3．5MPa压力范围内的边孔光纤光栅压力传感。     

基于游标原理的可调谐分布反射全光纤激光器

报道了一种新型全光纤离散可调谐分布反射(DBR)光纤激光器。光纤激光器为短腔结构,其有源区采用Er-Yb共掺单模光纤,有源光纤长度为6 cm。激光器采用两组级联光纤布拉格光栅(FBG)为反射腔镜,前腔镜各级联光纤布拉格光栅的布拉格波长间隔为1 nm,后腔镜为0.8 nm,利用游标原理,通过对前腔镜级联光纤布拉格光栅进行机械调谐,使前后腔镜各反射波长分别对准,实现了四个固定波长间隔为0.8 nm的离散调谐。这种光纤激光器具有波长调节准确,调谐速度快,成本低的优点,可用于作为多波长光纤传输系统的发射光源或系统检测光源,进一步增加级联光栅的组数可实现更大调谐范围。     

基于单一相位模板的带状光纤上多波长阵列光纤光栅刻写工艺研究

设计了一种带状光纤上阵列光纤光栅刻写系统,仅利用一块相位掩模板,即实现8芯带纤上阵列光纤布拉格光栅的刻写.使用自行设计的带纤夹具夹持带纤,电控位移平台对带纤整体施加拉伸力,采用相位掩模工艺对光纤逐根曝光,并同时以扫描写入的方法进行汉明切趾.刻栅过程由电脑编程控制,中心波长、波长间隔以及切趾方式可以灵活调整.测试结果表明,刻写完成的阵列光纤布拉格光栅3 dB带宽为0.2 nm、波长间隔为0.5 nm、波长偏差小于±50 pm、反射率达到80％～85％.     

边孔光纤光栅的传感特性

报道了一种新型边孔光纤及边孔光纤光栅的研究结果。采用有限元法分析了边孔光纤内部的应力分布和双折射数值,并通过波长扫描技术对其双折射进行了测量,理论计算和实验测量结果表明双折射数值达到4×10-5。根据边孔光纤光栅两反射峰偏振态相互正交的特性,提出了一种基于偏振检测的波长检测方案对边孔光纤光栅的传感特性进行了测量。结果表明两峰中心波长间隔随温度变化的灵敏度仅有0.05 pm/℃,是普通单模光纤光栅温度灵敏度的1/184。提出了一种基于横向荷载压力增敏的新型边孔光纤光栅封装装置,使边孔光纤光栅双峰间距的压力灵敏度从5.6 pm/MPa增加到119.14 pm/MPa,增敏21倍,实现了温度不敏感的高灵敏度压力传感。     

一种基于高衰减光纤的光纤光栅热线式流量计

为了发展全光学流量测量技术,提出了一种基于掺钴高衰减光纤的光纤光栅热线式流量计。通过解调光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)中心波长进行流量测量,具体包括传感器制作、温度传感特性测定和流量测量实验。结果表明,基于衰减系数为8.9 dB/cm、工作波长约为1480 nm的掺钴光纤的FBG具有10.3 pm/℃的温度灵敏度;流量计在400～3700 L/h液体流量范围内可高重复性地实现测量;流量--FBG中心波长遵循特定非线性函数计算模型;流量计的平均灵敏度约为0.15 pm/(L·h^-1),低流速下灵敏度最高可达到1 pm/(L·h^-1)。所提出的流量计丰富了光纤光栅用于液体流量测量的研究。设计中采用了掺钴高衰减光纤自发热和单端毛细管封装,为流量传感器的全光学化、微型化和高灵敏度发展提供了新思路。     

低温环境下FBG温度传感特性研究

在低温环境中,光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)材料的热膨胀系数和热光系数会发生改变,从而影响其温度传感特性。文章通过实验研究了裸光纤光栅传感器和黄铜管封装的光纤光栅传感器在低温下的温度传感特性。结果表明,在80~300 K温度范围,裸FBG温度传感器的灵敏度为6.43 pm/K,线性度为0.974,在80~230 K温度范围,温度与光纤光栅的中心波长呈现非线性关系;黄铜管封装的FBG温度传感器,在整个温度范围内灵敏度可达26 pm/K,线性度为0.996,较裸FBG温度传感器均有较大提升。对比实验表明,对光纤光栅进行封装,可以提高其温度灵敏度和线性度,改善温度传感特性。     

在光纤拼接处刻写长周期光纤光栅及其传感应用

在"单模光纤-细芯光纤"拼接处刻写了 Type Ⅱ 型长周期光纤光栅,构成一种高温光纤传感器.该传感器实际由2 段不同的长周期光纤光栅级联构成,在第二个光栅形成了 Mach-Zehnder 干涉,因此,传感器透射谱由长周期光纤光栅与Mach-Zehnder 干涉仪共同作用形成.利用传感器的透射谱与环境温度的线性变化关系...     

基于弹性薄片封装的高灵敏度光纤光栅压力传感器

为满足水深高精度测量,基于弹性薄片封装,研制了一种新型光纤Bragg光栅(FBG)压力增敏传感器,分析了其工作机理,并进行了水压测试.结果表明,封装后的FBG静水压灵敏度为33.6 nm/MPa,是封装前压力灵敏度的10700倍,其液位测量的灵敏度为3.36 pm/cm.研究表明:对探头的材料和尺寸进行适当的调整,可实...     

基于倾斜光纤Bragg光栅的横向压力传感器研究

设计了一种基于4°倾斜光纤Bragg光栅(TFBG)和弹 性 材料的横向压力传感器。利用TFBG光谱对周围介质折射率响应的特性,实现了 对较低压力范围(0~7N)的线性测量。采 用快速傅里叶变换(FFT)方法对光谱进行解调,测量灵敏度可达1920 a.u./(N/mm),线性拟 合度为0.998。研究了不同弹性材料对测量灵敏度的影响,实现对测 量范围和测量灵 敏度的调谐。本文传感器工作在反射光谱方式,易于集成(光栅区长度仅5mm),可以植入弹 性材料内部用于协调接触压力的测量。     

高强度光纤光栅与碳纤维的复合及应变传感特性研究

针对光纤光栅工程化应用性能不佳的问题,提出将高强度光纤光栅与碳纤维材料复合,介绍了复合样品的结构形式,分析了应变传递过程,然后对其应变传感特性和疲劳性能进行了实验研究。结果表明:复合样品能够达到较高的应变传递效率,具有良好的应变传感特性;疲劳实验中复合样品保持正常工作,波长变化曲线的幅度稳定;疲劳实验前后复合样品的应变传感特性基本不变,应变灵敏度系数分别为1.12和1.17pm/με,应变响应曲线的线性度均高于0.999,重复性分别为0.623%和0.397%。     

高灵敏度光纤光栅水下压力传感研究

提出了一种新型的光纤Bragg光栅(FBG)压力增敏的边孔封装技术,分析了它的工作机理和制作工艺,并采用聚合物材料进行了实际制作.结果表明,封装后FBG的压力灵敏度为5 251 pm/MPa,是封装前压力灵敏度的1750倍,较大程度减小了压力增敏效果对聚合物材料参数的依赖性,可满足高精度水下压力测量的应用要求.     

基于FBG阵列的滑动探测系统设计

为了实现机械结构中夹持状态的实时监测,避免施力过大造成损坏或施力过小造成滑落,设计了一种基于FBG阵列的滑动探测系统。利用正交分布FBG阵列实现对不同方向滑动的感知,通过解算各位置上FBG波长偏移量完成对目标位置与滑动状态的分析。给出了系统结构设计及计算方法,仿真分析了不同参数的FBG对物体的滑动测试效果。仿真结果显示,采用lFBG=10 mm,h=4 mm的参数选择可以在保证空间分辨精度的基础上达到最大灵敏度。实验中,传感单元采用60 mm×40 mm×10 mm的硅胶体构成,内部预埋5个FBG构成传感阵列。实验结果显示,在x轴和y轴方向上,其灵敏度分别为0.0051 nm/N和0.0063 nm/N。FBG波长偏移量的变化曲线可以明确表征在传感模块上被测物的状态(静止、开始滑动、稳定滑动)。针对不同滑动速度进行了测试,FBG产生的波长偏移量变化所占时长与滑动时长成比例,即可通过波形完成滑动时长的解算。     

螺旋布设光纤光栅的软体操作器形状传感方法

为实现微创手术软体操作器弯曲伸缩运动时的形状测量,提出一种螺旋布设光纤光栅形状传感方法。不同于传统的直线形布设方法,螺旋形布设方法可以防止软体操作器弯曲伸缩运动时,光纤光栅的折断、脱胶现象发生。理论分析了螺旋布设光纤光栅的传感原理及弯曲变形的重构算法;制备了光纤光栅沿螺旋形布设在软体操作器表面的试样;搭建了软体操作器弯曲变形的实验系统;实验分析了软体操作器在不同弯曲状态下,螺旋布设光纤光栅中心波长漂移量与弯曲角度间的变化规律,并重构出软体操作器的变形形状。实验结果表明:螺旋布设光纤光栅在软体操作器中不同位置的灵敏度最大为7.1pm/(°),软体操作器弯曲角度实际测量值与理论重构值间的最大误差不足4.29%。螺旋形光纤传感方法可用于软体操作器形状传感与重构。