一种大量程光纤布拉格光栅位移传感器北大核心

光纤光栅位移传感器具有精度高、本质安全、体积小和易复用等特点,但受到敏感材料的局限,大量程光纤光栅位移传感器很难获得。针对该问题,提出并实现了一种大量程的光纤光栅位移传感器,其采用行星轮系与粘贴光纤光栅悬臂梁相结合的结构,通过变换减速比来获得各种大量程;利用有限元分析法对传感器悬臂梁材料和结构进行了优化设计,研究了不同量程时该类传感器的输出特性。结果显示,该传感器输出信号的波长漂移量与位移量有着很好的线性关系,最大量程可达2 000mm。     

一种双梁互补式光纤光栅位移传感器及在地铁隧道变形监测中的应用

本文提出了一种双梁互补式光纤光栅(fiber Bragg grating, FBG)位移传感器,实现了正负双向位移的测量。采用双“悬臂梁+楔形滑块”的结构,当一个悬臂梁受位移作用处于变形状态时,另一个悬臂梁不变形并提供温度补偿功能。传感器处于零值测点状态时,两个悬臂梁处于零弯曲状态,且双梁互为温度补偿,消除了温度影响。通过性能测试实验证明,该传感器在±50的量程内,灵敏度为29.369 pm/mm,测量重复性好。制备出8个传感器应用于某市地铁的变形安全监测,从道床沉降、道床环缝、管片环缝3个方面开展了变形测量。在长期监测期间,传感器工作稳定,被测结构变形状态稳定,表明该传感器具有良好的测量性能,适用于长期的结构健康监测。     

一种基于‘E’型梁结构的光纤光栅振动传感器

为了提高梁式结构光纤光栅振动传感器的测量灵敏度,设计并提出了一种悬臂梁结构 的光纤光栅振动传感器。首先对悬臂梁结构的光纤光栅振动传感器的工作原理进行理论上的 分析,其次对结构中悬臂梁长度和光纤光栅有效长度与固有频率和灵敏度的关系进行了仿真 ,以便传感器获得较高的灵敏度。仿真结果表明,固有频率随光纤光栅有效长度的增加而逐 渐减小,但灵敏度随悬臂梁长度的增加而增大。而当光纤光栅有效长度增大时,光纤的固有 频率和灵敏度有减小的趋势。根据理论上分析和仿真结果,最终确定了‘E’型梁结构的最 佳参数和光纤的有效长度,这一点在实验中得到了很好验证。实验结果表明,传感器的平坦 区域为15 Hz~60 Hz,其固有频率为83Hz,灵 敏度高达481.32 pm/g。该振动传感 器在振动信号检测中的良好表现,这将在桥梁、建筑等振动传感领域具有重要的研究意义。     

一种大量程双弹簧式光纤光栅位错计

设计了一种大量程双弹簧式光纤光栅位错计。选 用弹簧作为位移-力转化元件,使光纤布拉格光栅 (fiber Bragg grating,简称FBG)所在基体发生轴向应变进而得到中心波长变化量。理论分 析了FBG位错 计机械结构与基体之间的位移传递关系,给出了位错计的理论灵敏度系数公式。以位移量为 变化参数,对 FBG位错计进行了标定试验并根据数据进行传感器静态特性分析。结果表明,位错计的双向 线性度分别为 2.445%和2.386%;迟滞性分别为 3.385%和1.237%;灵敏度系数分别为34.93pm/cm和31.20pm/cm。该 FBG位错计结构简单、量程大、精度高、抗电磁干扰且可以实现温度自补偿。可应用于恶劣 以及复杂的地下工程结构长期的相对沉降远程监测。     

基于光纤光栅的结构应变模态测试及参数识别

以光纤光栅传感器为测量手段实现了基于快速应变响应的结构模态分析。根据位移模态分析的基本原理,推导了应变模态参数识别算法,能够仅根据应变响应数据计算结构的模态参数。搭建了一套采样率为5 000Hz的光纤光栅快速应变采集系统,进行了等截面悬臂梁的光纤光栅应变模态试验并识别了悬臂梁的前5阶模态参数。光纤光栅方法与有限元分析结果相比,固有频率相对误差小于0.6%,比基于电传感器的位移模态测试结果更接近理论值。基于光纤光栅的应变模态分析方法附加质量小,能够适应更复杂的测量环境,具有一定的应用价值。     

内嵌大量程光纤光栅传感器的智能拉索研制及应用

针对大跨度空间索结构施工及运营阶段的索力监测难题,基于光纤光栅应变敏感的特性,利用“预应力原理”与凹槽封装技术,该文研制了一种内嵌封装大量程光纤光栅传感器的智能拉索,解决了光纤光栅传感器工程应用易断裂及监测量程不足的缺陷。在此基础上对其进行张拉试验,验证智能拉索的主要传感性能指标。试验结果表明,光纤光栅传感器监测灵敏度约为0.002 66 nm/kN,线性度误差≤2.86%,迟滞误差≤1.53%,重复性误差≤2.40%,总精度误差≤4.03%,监测量程可达到拉索极限承载力的80%。采用该技术,利用光纤光栅传感器对某体育场馆索网结构的施工张拉进行实时监测,并将光纤光栅传感器监测荷载与千斤顶张拉荷载进行对比,索体张拉完成后两者误差仅为2.95%。该技术实现了拉索全生命周期、高精度的索力监测。     

基于变电站沉降监测的光纤光栅传感器

根据光纤布拉格光栅传感器具有抗干扰强、高灵敏度和工作寿命长等优良的物理特性,针对变电站沉降变形监测工程中存在的耗费大量人力、工作环境恶劣、积累时间长等突出问题,设计了新型光纤光栅沉降位移传感器,其沉降测量量程最大为300 mm,灵敏度为17.8 pm/mm,沉降位移分辨率为0.784 93 mm。与传统的沉降传感器相比,在测量灵敏度、分辨率和沉降量测量范围上有了极大的提高。综合实验结果,该传感器能实现对变电站地基和电气设备进行大范围、高灵敏度、高分辨率地沉降监测。     

光纤光栅位移传感器的开发及应用

针对全光纤结构健康监测系统中对位移监测的需求,设计了一种基于等强度悬臂梁结构的光纤光栅(FBG)位移传感器,它具有结构简单、测量精度高、温度自补偿等优点。通过对传感器进行标定试验,结果显示其线性相关系数可以达到0.999以上,传感器的测量精度为0.326%FS。该传感器在桥梁支座监测中的成功应用表明其可靠性高、对结构自身影响小,可直接测量支座位移,适合于长期工程结构监测。     

基于布拉格光纤光栅谐振频率的实时测量

分析了一种基于布拉格光纤光栅(FBG)的高效方便的谐振频率检测系统。布拉格光纤光栅作为传感器粘贴在悬臂梁表面探测其振动,密集波分复用器(DWDM)作为波长解调器件通过透过率曲线获得布拉格光栅反射光的相对中心波长位移。通过计算机处理数据采集卡采集的实时信号获得悬臂梁多阶谐振频率。结果显示,在与传统的加速度传感器测量谐振频率进行比较时,两者结果很好地吻合。光纤光栅传感系统测得所需的1~4阶悬臂梁谐振频率在频谱上的信噪比均大于20 dB,系统的应力动态测量精度为2.45×10-9ε/Hz,表明该系统能够有效地测量谐振频率。     

用光纤光栅的啁啾效应实现温度不敏感的位移传感

将均匀周期光纤布拉格光栅斜向粘贴于矩形悬臂梁的侧面,通过调节弹性梁自由端的位移,使其产生啁啾,利用光纤光栅的啁啾效应,实现了温度不敏感的位移传感。由于传感量为光纤光栅的带宽,有效地解决了温度交叉敏感问题,在位移传感实验中获得了很好的线性响应度。     

基于特殊结构悬臂梁的FBG温度补偿压力传感器

提出两种特殊结构等强度悬臂梁,并用一根普通光栅实现了温度自动补偿的光纤光栅(FBG)应力传感器.在外界压力作用下,刚性粘接在悬臂梁上的光栅反射谱分裂成双峰结构,悬臂梁受到应力时引起传感光纤布拉格光栅反射谱双峰间距变化.根据该原理,实验比较了两种不同悬臂梁结构的测试结果,表明两种悬臂梁均具有较高精度、良好的线性和可重复性.     

双光纤布拉格光栅电流传感器

两电流产生的电磁力使等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布拉格光栅的布拉格波长漂移.通过检测两个布拉格光栅的波长漂移差,得到被测电流.双光纤布拉格光栅通过补偿温度效应,解决了光纤布拉格光栅传感器的交叉敏感问题.垂直放置的等腰三角形悬臂梁,确保光纤光栅在传感过程中不出现啁啾现象,又避免了自身重量和导线重量对测量结果的影响,从而减少了测量误差.该系统传感灵敏度为0.097nm/A,与理论值的相对误差为3.38%,结果表明该传感器结构是可行的.     

温度补偿型光纤光栅位移传感器

基于等腰三角形悬臂梁和双光纤光栅结构设计并制造了一种高分辨率、温度自补偿的光纤位移传感器。采用光谱分析法对测量结果进行解调,常温下的实验结果表明,传感器的量程为0-70mm,灵敏度为21.9pm/mm,线性拟合度高达0.999,重复性误差为4.72％FS,迟滞误差为2.70％FS。而且在0-60℃温度范围内的零漂为0.41pm/℃,温度性能良好。该传感器能很好的应用于水利水电工程、工业与民用建筑等结构上裂缝或接缝开合度的长期监测。     

单个光纤光栅实现对位移和温度的同时测量

结合光纤光栅悬臂梁调谐的特点 ,采用一种新颖的光纤光栅悬臂梁结构 ,将光纤光栅粘贴在悬臂梁和固定端基板的结合处 ,成功地实现了对位移和温度的同时测量。基于光谱分析仪 0 1nm的光谱分辨率 ,实验可得到的位移分辨率为 0 0 8mm ,温度分辨率为 3 1℃ (位移不变时可达 0 73℃ ) ,位移测量范围可达 10 5mm。实验结果与理论分析基本一致     

利用单光纤光栅实现力学量垂直感测的研究

通过改进悬臂梁自由端结构设计 ,利用光纤光栅波长绝对编码的特性 ,实现了利用单光纤光栅对应力、位移进行了垂直感测。理论分析和实验结果证明 ,通过监测粘贴于悬臂梁固定端附近的光纤光栅波长变化的大小和指向 ,能够感测应力、位移等力学量的大小及方向。在相互垂直的方向上 ,获得的应力实验灵敏度分别为 1 87nm N和 3 4 0nm N ,位移实验灵敏度分别为 0 2 3nm mm和 0 4 1nm mm。     

基于OTDR的螺旋型分布式光纤传感器的研究

对基于光时域反射仪(OTDR)的螺旋型分布式光纤传感器的工作机理进行了分析,通过试验获得了光纤宏弯曲损耗-位移的拟合曲线,以及该曲线与工作波长、棒体直径的关系.研究结果表明:该螺旋型分布式光纤传感器具有监测量程大、定位精度高的特点,通过优化工作波长和棒体尺寸,可以进一步提高传感器的量程和性能.     

基于DSP的光纤光栅解调系统的设计

阐述了利用匹配光纤光栅闭环跟踪测量传感光纤光栅布拉格波长的方法．给出了基于高速数字信号处理器（DSP）的光纤光栅波长解调系统的实现方案,该方案利用一种特殊结构的悬臂梁和两个并联二次反射匹配解调光栅的方法来实现光纤布拉格光栅（FBG）传感器的高精度大范围应变传感解调,并通过特殊悬臂梁提高了解调光栅的敏感度;同时利用并联方式并选择两个合适的匹配光栅中心波长来增大可检测的应变范围,同时解决了双值问题。     

光纤Bragg光栅传感器传感原理及常见结构

根据光纤Bragg光栅传感器的传感原理,以光纤光栅传感器的的常用结构-悬臂梁结构,柱式力结构,膜片式结构,复合材料柔性结构,聚合物封装结构为例对光纤光栅传感器封装方法、使用范围以及各种结构的优缺点做了分析,并根据实际经验介绍了光纤光栅传感器断点的保护方法.     

螺旋倾斜复合技术对光纤布拉格光栅传感器的减敏作用北大核心CSCD

降低光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器的应变灵敏度是解决传感器量程小、无法监测大应变问题的一种重要方法。为了监测构件在使用过程中的应力应变变化,提出了螺旋倾斜式光栅复合技术,建立了光栅实测应变与试样实际应变间的理论关系,在不同螺旋倾角下进行了光栅应变灵敏度的测量试验。试验结果表明,该方法能有效降低光栅应变灵敏度,增大光栅应变测量量程。     

一种新型温度自补偿的低成本位移传感解调系统

提出一种采用啁啾光纤光栅测定位移的方法.悬臂梁受到应力时引起刚件粘接在悬臂梁上的啁啾光栅反射谱带宽压缩,带宽变化引起光栅反射光强变化,通过测量啁啾光栅反射光强可测定位移.该传感器具有温度自补偿功能,温度变化引起反射谱波长移动但总光强不变.实验结果表明该传感器测量灵敏度达K=1 168/mm.