光纤布喇格光栅埋入后温度灵敏度分析

为探索光纤布喇格光栅(FBG)埋入金属后的温度灵敏度,在FBG埋入金属的工艺条件还不成熟的情况下,先对FBG埋入水泥砂浆后的温度灵敏度进行了理论和实验研究。推导了FBG埋入后的温度灵敏度公式,并用实验验证了该温度灵敏度公式,得到FBG埋入水泥砂浆后的温度灵敏度理论值为23.8143 pm/℃,实验结果为24.178 pm/℃。对埋入水泥砂浆的FBG受温度变化时的应变进行了理论分析并用ANSYS软件进行了仿真,证明理论、实验和仿真结果一致。     

封装材料性能对光纤布拉格光栅温度灵敏度影响分析

光纤布拉格光栅封装后其温度灵敏度与裸光纤光栅有很大不同,这是因为封装材料的性能参数(包括泊松比,弹性模量,热膨胀系数及封装厚度)与光纤光栅的材料性能参数不一致造成的.理论分析了封装材料性能参数对光纤光栅温度灵敏度的影响.讨论了化学镀镍FBG的温度灵敏度公式,理论分析并用实验证明了镀镍层厚度与温度灵敏度的关系,理论分析得到化学镀层厚度分别为2.315μm、16.655μm、85.255μm的镀镍FBG的温度灵敏度依次为12.840 6 pm/℃、17.9784 pm/℃、20.202 9 pm/℃,实验值依次为12.313 pm/℃、17.1pm/℃、20.024 pm/℃.理论值与实验值基本一致.     

光纤智能金属结构应力应变理论分析及仿真

为了探索光纤智能金属结构中光纤布喇格光栅(FBG)的温度灵敏度,必须对温度变化时光纤智能结构中FBG所受的应力应变进行分析。分析了FBG经过保护再埋入金属后温度变化时的应力应变,推导了FBG埋入金属后的温度灵敏度公式。以FBG埋入铝合金为例,对埋入金属后的FBG受温度变化时的应力应变进行了理论分析并用ANSYS软件进行了仿真(有限元分析),理论和仿真得到了一致结果。     

可实现温度降敏的金属化光纤布拉格光栅

针对光纤布拉格光栅(FBG)传感器用于精确测量应力/应变场合时需屏蔽或补偿其温度灵敏性,本文在FBG化学镀Ni保护的基础上加入ZrO2微粒,形成Ni-ZrO2化学复合镀层,既具有金属镀层的保护作用,同时又实现了FBG的温度降敏。经元素分类扫描(EDS)测试,Zr元素的质量含量为30.12%,Ni元素的质量含量为67.87%;经扫描电镜(SEM)检测,复合镀层与FBG传感器结合紧密。对两支Ni-ZrO2化学复合镀保护的FBG传感器进行了多次30～90℃的温度传感实验,相比于化学镀Ni的FBG,其温度灵敏系数平均下降了34.59%。这表明,经Ni-ZrO2化学复合镀保护的FBG传感器具有温度降敏的特性。     

FBG-FP的应变与温度解耦方法研究

光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)的温度与应变交叉敏感问题在实际工程应用中至关重要。本文提出了一种采用级联FBG的法布里-珀罗(FBG-Fabry-Perot, FBG-FP)传感器进行温度与应变同时测量的方法。级联FBG阵列由氩离子紫外激光器基于相位掩模板方法制作,其形成的FP干涉峰和光栅反射谱包络可以实现温度与应变的解耦。在不同的温度条件下,由FBG-FP反射谱包络10 dB带宽所对应中心波长值可得FBG-FP的温度灵敏度系数为9.5 pm/℃。分别在无应力、有应力且恒温条件下,通过解读FP干涉峰的波长变化得到该级联FBG-FP的温度和应变灵敏度系数分别为9.1 pm/℃和1.03 pm/με。实测的温度与应变值可由干涉峰波长、反射谱包络与温度、应变的函数关系求得。结果表明该FBG-FP可以实现温度与应变的同时测量。     

镀Cu光纤Bragg光栅高温实验研究

将普通的光纤Bragg光栅(FBG)表面均匀地进行化学镀Cu,然后设计合理的测温装置对处理后的FBG进行高温实验.实验证明,经过表面镀Cu的FBG能够测量300 ℃的高温,线性度、准确度均较高,重复性也较好,而且可以通过控制镀层的厚度来控制其热膨胀系数,进而可以得到特定温度灵敏度的镀Cu FBG温度灵敏度可提高2.4倍.进一步的实验验证了使用该FBG进行450 ℃的高温测量也是可行的.     

Sn-Al合金基镀Ni光纤光栅传感器研究

制备了熔点约为350℃的Sn-Al合金,利用真空熔铸法将化学镀Ni后的光纤布拉格光栅(FBG)传感器铸造到Sn-Al合金中,以改善FBG传感器与金属结构的焊接性能,达到对金属结构材料的传感增敏作用。传感器的温度标定实验结果表明:镀Ni的FBG传感器经过熔点350℃的Sn-Al合金熔铸封装后FBG传输信号正常,并且其温度传感灵敏系数从裸FBG传感器的10.8pm/℃增加到升温阶段的17.3pm/℃和降温阶段的17.4pm/℃。     

基于游标效应的FBG阵列灵敏度增强研究

为了提高光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)的温度和应变灵敏度,我们提出了一种基于游标效应的FBG阵列光纤传感器。该传感器由Lyot干涉仪(Lyot interferometer,LI)和FBG阵列级联而成,LI作为游标效应的参考干涉仪,具有相同反射率和波长间隔的FBG阵列作为游标效应的传感部分。游标效应是由LI的FSR(Free spectral range,FSR)和FBG阵列的等波长间隔之间的微小差异引起的。LI由两个起偏器和一段熊猫型保偏光纤(Polarization-maintaining fiber,PMF)组成。我们通过仿真证明了LI和FBG阵列之间产生了游标效应。通过实验研究了不同保偏光纤长度情况下传感器的温度和应变响应,在LI的FSR为1.76 nm的情况下,该传感器的温度灵敏度为-241.60 pm/ ℃,应变灵敏度为-13.42 pm/ ℃。该混合级联结构最突出的优点是通过改变LI的FSR或是FBG阵列的波长间隔就可以轻易改变FBG传感器的温度灵敏度和应变灵敏度,具有较强的灵活性。该传感器为提高FBG传感能力提供了一个新思路。     

光纤光栅温度传感器稳定影响因素研究

提出一种可用于航天系统温度监测的光纤布拉格 光栅(FBG)温度传感器及其封装方式。通过对FBG温度传感器结构进行力学仿真,分析了FB G的预拉伸幅度、低熔点玻璃厚度对传 感器稳定性的影响;提出了优化传感器封装性能的方法,并通过实验进行了验证;对封装的 FBG传感器进 行四次稳定性实验,每次实验相隔二十天。实验结果表明:FBG传感器在各个温度点(－70℃,……, 30℃)波长的标准差小于0.57pm;FBG传感 器温度灵敏度为8.4pm/℃,温度测量标准差小于0.067℃; 在液氮环境中,FBG传感器波长的标准差为0.43pm,具有良好的低温 稳定性。     

基于法布里-珀罗干涉仪和光纤布拉格光栅的双参量光纤传感器

提出了一种结构紧凑的基于法布里-珀罗干涉仪（FPI）和光纤布拉格光栅（FBG）的双参量光纤传感器,其可实现对应变和温度的同时测量。所制作的FPI是通过将一段端面被腐蚀过的多模光纤（MMF）与一小段光敏光纤（PSF）熔接而形成的。PSF的平整端面作为FPI的一个反射面,FBG被刻写在PSF中。实验测得FPI和FBG对于应变的灵敏度分别为 8.63pm/με和1.11 pm/με,对温度的灵敏度分别为和-1.60 pm/℃和9.75pm/℃。由于FBG和FPI对于应变和温度分别有不同的灵敏度,所以它们组合起来可以实现对双参量的同时测量。实验测得传感器同时进行应变和温度测量的最大误差分别为6.72με和0.98℃。     

金属化光纤光栅高温失效及其光谱特性

光纤光栅(FBG)作为温度传感器在智能结构领域得到广泛关注,然而将其埋入金属基体的方法大多是焊接方法。由于焊接过程经历高温,对FBG传感特性将产生一定不良影响。为提高FBG在高温工况下的应用,采用化学镀结合电镀的方法,对FBG进行了镀铜、镀镍金属化试验。采用高温加热炉对金属化FBG进行了短时间高温失效试验,分析了300~900℃区间内金属化FBG的温度灵敏度、光谱特性以及功率衰减规律。结果表明:在300~800℃温度区间,镀铜、镀镍的FBG以及裸光栅的平均温度灵敏度分别为15.35 pm/℃、16.34 pm/℃、16.1 pm/℃;金属化FBG的失效温度约为900℃,与裸光栅相比提高了约100℃;获得了金属化FBG失效过程的光谱及反射峰功率衰减情况。     

FBG传感器封装工艺对交叉敏感问题的影响

研究了光纤光栅(FBG)应变传感器的封装与安装工艺对温度交叉敏感特性的影响。基于弹性力学理论对表面粘贴式和表面螺栓安装式两种典型的FBG应变传感器封装形式的交叉敏感机理进行了理论分析,并对国内几家主要的FBG传感器生产商的产品进行了测试。测试结果表明,表面粘贴式FBG应变传感器的温度交叉敏感性要大于表面安装式FBG应变传感器,与理论分析的结果相符。     

Review of fiber Bragg grating sensor technology

The current status of the fiber Bragg grating (FBG) sensor technology was reviewed. Owing to their salient advantages, including immunity to electromagnetic interference, lightweight, compact size, high sensitivity,large operation bandwidth, and ideal multiplexing capability, FBG sensors have attracted considerable interest in the past three decades. Among these sensing physical quantities, temperature and strain are the most widely investigated ones. In this paper, the sensing principle of FBG sensors was briefly introduced first. Then, we reviewed the status of research and applications of FBG sensors. As very important for industrial applications,multiplexing and networking of FBG sensors had been introduced briefly. Moreover, as a key technology, the wavelength interrogation methods were also reviewed carefully. Finally, we analyzed the problems encountered in engineering applications and gave a general review on the development of interrogation methods of FBG sensor.     

拱桥吊杆的光纤光栅监测与健康诊断

对拱桥吊杆内力监测光纤光栅(FBG)传感器的波长与应变和温度的关系进行了理论分析,通过标定试验,得到了FBG应变与温度灵敏系数.在四川峨边大渡河拱桥关键性吊杆中成功布设了FBG应变和温度传感器,提出并实施了现役拱桥吊杆FBG传感器的布设工艺以及布设后吊杆的修复方法.利用布设好的FBG传感器成功监测了车辆荷载下吊杆应变历程和温度变化过程、同一车辆荷载对不同长度吊杆的影响.监测结果表明:FBG传感器能够准确地监测车辆荷载大小和温度变化以其可能存在的损伤.     

Shear Strain Influence on Fiber Bragg Grating Measurement Systems

Fiber Bragg grating (FBG) sensors have become commercially available sensors for the measurement of temperature, strain, and many other quantities. One interesting application is the embedding of these sensors, during which shear strains can arise inside the sensor. As we have recently demonstrated by a full-tensor coupled-mode analysis, shear strains do influence the spectral response of fiber Bragg sensors, and thus have to be considered. In this paper, we use the theory behind this analysis to compute the direct influence of shear strains on the output of a FBG measurement system, and show cases where shear strain effects are relevant. Furthermore, we compare the sensitivity of different interrogation algorithms toward shear strain influences on the measurement system output. To model the experimentally relevant unpolarized light sources, we derive a model using the monochromatic waves of coupled-mode theory. We apply the unpolarized light to the FBG shear strain problem and show that for unpolarized light, shear strain has to be taken into account as well. We find absolute measurement errors in the range of 100 pm. For typical normal strain measurements, this would be of an order of 10% of relative error.     

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。     

一种低成本FBG高温传感器的研究

采用相位掩模法,利用紫外光在载氢普通掺锗单模石英光纤中制作出光纤布拉格光栅(FBG)。同时,将反射率为17dB的光栅FBG1和反射率为41dB的光栅FBG2置于30～1000℃的高温炉内进行温度特性比较实验。在30～870℃范围内FBG1和FBG2两者中心波长随温度的变化趋势一致,且两个光栅反射波长都在870℃时消失,当温度继续升高到900℃时,仅有FBG2再次出现反射率为1dB的反射峰。对经过高温处理后的FBG2再次进行30～1000℃温度测量实验,温度灵敏度为0.02nm/℃,线性度为0.999。实验结果表明,对于具有高反射率的FBG进行高温热处理后,其可以在30～1000℃的温度范围内进行传感测量,且中心波长随温度变化呈良好的线性关系。利用该方法可以制作出低成本的可用于高温环境测量的FBG温度传感器。     

基于FPGA的光纤光栅温度传感器高速解调系统

为了实现对光纤光栅温度传感器的高速解调,采用了一种基于现场可编程门阵列和小型光谱仪模块的光纤光栅温度传感器高速解调系统,利用放大自发辐射光源产生的近红外宽带光辐射,照射光纤光栅温度传感器,对其反射光通过高斯拟合寻峰算法确定中心波长,并由中心波长偏移量判定环境温度的解调方法,进行了理论分析和实验验证。结果表明,在30℃~60℃温度范围内,完成了解调速率达20kHz、温度灵敏度为12.49pm/℃的高速温度测量,实现了对光纤光栅温度传感器的高速解调。