高灵敏抗冲击光纤光栅微振动传感器

针对高灵敏度的光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器的抗冲击可靠性,设计了一种具有限振结构的双悬臂梁型FBG振动传感器,理论分析了结构参数与灵敏度和振动位移的关系,进行了结构优化,确定了限振幅度。制作了限振幅度约为90m的传感器样品,对传感器的加速度灵敏、频率响应、抗冲击性能进行了测试,结果表明,传感器的加速度灵敏度达到525 pm/g,谐振频率约为66 Hz,传感器经过50 g反复冲击,频响特性具有良好重复性,表明传感器具有较高的可靠性。     

Low-frequency fiber Bragg grating accelerometer based on a double-semicircle cantilever

A compact double fiber Bragg gratings (FBGs) accelerometer based on an organic double-semicircle cantilever is proposed and experimentally demonstrated for low-frequency vibration measurement. The configuration is formed by two points of every FBG fixed at the two sides of the semicircle, efficiently avoiding the unwanted chirp effect of grating. The dynamic vibration measurements exhibit that the accelerometer provides an extremely high sensitivity of 1296 pm/g and a considered frequency range from 0 to 25 Hz, while the two FBGs is contributed to the sensitivity enhancement, temperature and transverse sensitivity independent. The smart device has a compact size and efficient fabricating cost, indentifying it a good candidate for the embedding structure monitoring.     

一种FBG靶式流量传感的结构设计及实验研究

针对传统液压系统检测中存在的传感器体积较大、测量精度不高等问题,设计了一种基于光纤Bragg光栅(FBG)的一体式靶式流量传感器。在分析FBG及靶式流量传感原理的基础上,设计一种结构紧凑、便于密封和拆装的一体式靶片,将置于流体中迎流靶片所受的与流速成对应关系的冲击力转化成FBG波长的漂移,双FBG对称粘贴于悬臂梁上下表面的中轴线上,在提高传感灵敏度的同时,有效解决了温度与应变的交叉敏感问题。通过砝码干校实验测得传感器的灵敏度为3.55pm/g,其对应的流量灵敏度为0.076L/s。实验结果表明,双FBG中心波长的变化总量与加载在靶片上的质量有良好的线性关系,灵敏度是单个FBG灵敏度的2倍,且几乎不受环境温度的影响,稳定性、可靠性较好。     

A novel fiber Bragg grating vibration sensor with double equal-strength cantilever beams

In practice, since the measurement environments are usually complex, the electromagnetic interference problem has been an important issue for sensor applications, and the fiber sensor can overcome it effectively. this paper proposes a new type of vibration sensor based on fiber Bragg grating (FBG). The vibration sensor with double equal strength cantilever beams structure can further improve the measurement stability. The physical model of FBG vibration sensor was established, and the structural parameters of the double equa-strength cantilever beams were designed and optimized by finite element analysis. Both simulation and experimental tests are included in this paper to illustrate the low-frequency vibration performance of the designed vibration sensor. Among, the sensitivity of the sensor was 0.024 0 pm/(m.s-2), the natural frequency was 185 Hz, and the linearity was obtained, which further verify the stability and reliability of the sensor vibration frequency measurement.     

金属环封装低频光纤布拉格光栅振动传感系统研制

研制了一种金属环封装的单柱体芯轴式光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器,搭建了基于非平衡迈克耳逊干涉仪相位载波调制(PGC)解调技术的FBG振动传感器解调系统,实现了低频振动信号的高精度实时解调,并分析了各参数对传感器谐振频率和灵敏度等特性的影响。实验结果表明,研制的FBG振动传感器谐振频率为388Hz,在10～200Hz频率范围内,传感器的加速度灵敏度约为81pm/g,且加速度响应平坦,起伏小于1dB,与理论分析结果基本一致。研制的振动传感器可实现200Hz以下低频振动信号的实时检测,解调系统的波长检测精度为1.07×10-3 pm,最小可检测加速度为1.3×10-5 g。     

双光纤-悬臂梁FBG加速度传感器研究

针对现有悬臂梁FBG加速度传感器光纤表面粘贴会造成FBG受力不均匀,并且无法在温度变化和振动等复杂的环境中工作的问题,提出一种双光纤-悬臂梁结构的FBG加速度传感器。理论分析了结构参数对传感器灵敏度和固有频率的影响,并采用ANSYS有限元分析软件进行了静应力和模态仿真分析,最后搭建了测试系统对传感器进行性能测试。结果表明,加速度传感器的固有频率为84.86Hz,在15~60Hz的低频段具有平坦的灵敏度响应,双光纤在增加传感器的灵敏度的同时有效消除了温度变化的影响,加速度灵敏度为156.70pm/g,线性度为99.38%,刚性梁有效增加了结构的稳定性,在工作频段内的横向串扰为-26.97dB。     

基于对称悬臂梁的小型化低频FBG加速度传感器研究

提出了一种基于对称悬臂梁的小型化低频光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器。首先根据传感器结构的力学模型,推导出传感器的灵敏度和固有频率表达式;然后对传感器进行结构参数优化,采用ANSYS Workbench对传感器进行静应力与模态分析;最后根据分析结果制作传感器,并实验研究了传感器的幅频响应、灵敏度特性、横向抗干扰能力和冲击响应。结果表明,该传感器固有频率为72 Hz,灵敏度为681.7 pm/g,抗横向干扰度小于4.9%,且体积仅为6.48 cm^(3),可用于50 Hz以下的低频微弱振动信号的实时监测。     

光纤Bragg光栅低频振动传感器的特性研究

设计了一种安装于双圆柱弹性环内并由多条弹性薄片条组装成的桶形骨架作为光纤Bragg光栅(FBG)振动传感器基底的传感结构,振动传感器的谐振频率为440Hz,加速度灵敏度约为76.4pm/g,采用相位载波调制式FBG振动传感器解调系统进行解调。实验结果表明,本文传感器经双圆柱弹性环对横向振动约束处理后,其幅频特性在20～300Hz频率范围内呈现出平坦的水平直线,对应于位相角φ=0处的相频特性曲线也呈现出平坦的水平直线,适合于工程技术中20～300Hz的振动信号实时检测。     

Study on optical fiber multi-parameter sensor

Based on the principle of fiber Bragg grating detection,an optical fiber sensor for detecting wind speed and temperature and humidity in underground space was designed.The designed optical fiber wind speed sensor was based on the thermal flow detection method,which has high sensitivity to low wind speed.For the speed rising from 0 to 0.5 m/s,the wavelength variation is about 800 pm.For the demodulator with sensitivity of 1 pm,the speed resolution is 0.7 mm/s.Fiber optic humidity sensor was fabricated by uniform surface coating of FBG element in polyimide solution,and detection sensitivity of 4.2 pm/% RH was achieved with accuracy less than ± 3% RH.     

一种用于泥石流地声监测的FBG加速度传感器

针对泥石流地声的特性,设计了一种悬臂梁 结构的光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器。理论分析了FBG传感器灵敏度、谐振频率的 影响因素,对传感器 的关键参数进行了优化设计;引入抗弯光纤、高分子超薄涂覆以及CCD解调等新技术,改 善传感器的灵 敏度、串接复用等性能;最后进行了对比测试。实验结果表明:所设计的传感器灵敏度高达 400pm/g,固有频率为310Hz,能很好地满足 泥石流地声监测的要求。     

一种基于新型双轴圆弧铰链的二维FBG加速度传感器

为了实现大跨度桥梁中拉索构件的二维(two-dimensional, 2D)振动信号高精度测量,本文设计并研究了一种小型化的新型2D光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)加速度传感器,以解决现有FBG加速度传感器体积与质量较大的问题。所设计的FBG加速度传感器主要由含有质量块的双轴圆弧铰链、4个固定支架,以及刻有4段阵列FBG的光纤组成。通过建立FBG加速度传感器的动力学普遍方程,得到灵敏度与固有频率的理论数值,另外辅以Abaqus软件对其进行有限元仿真以验证理论推导的结果。实验测试数据表明,FBG加速度传感器的固有频率约为500 Hz,双FBG的布置使其灵敏度可以达到595.2 pm/g,此外对称推挽的圆弧铰链设计还具有优异的横向抗干扰和温度自补偿性能。最后以某中承式钢管混凝土拱桥为实际工程案例,使用所设计的2D FBG加速度传感器实现了吊索索力的有效测量。     

一种高灵敏度光纤Bragg光栅高压传感器

为了提高光纤Bragg光栅（FBG）压力传感器测量的灵敏度,建立了基于薄壁圆筒的压力转换模型。应用弹性力学理论分析其工作原理,推导出应变片应变量与外部压力的关系,结果表明,改变圆筒内外径比和应变片几何尺寸可以提高放大系数。以3J53材料为例进行了数值计算,结果表明,在70MPa的工作压力下,FBG的应变为44pm／MPa,是采用裸光栅测量压力灵敏度的14倍。     

全同FBG振动传感器在周界安防系统中的应用

为了解决在周界安防系统中基于FBG振动传感器波分复用方式下传感单元数量受光源带宽和解调限制的问题,同时也为了延长周界安防距离、降低系统成本、提高系统效率,提出了"全同光纤布喇格光栅(FBG)振动传感器"的概念,论述了全同FBG振动传感器在周界安防系统中应用的可行性,设计了实验方案,搭建了试验装置并给出了实验结果。实验证明,两个波长基本相同的全同FBG振动传感器接入后的波长灵敏度会有不同程度的损失,实验中6种组合12种连接方式波长灵敏度大于20pm的有10种,实践证明,经过筛选可以达到实际应用的要求,全同FBG振动传感器在周界系统的应用不但可以提高系统的容量,而且使FBG周界系统的成本大大降低,更具市场竞争力。     

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。     

基于对称铰链的中低频光纤加速度传感器及其优化设计

考虑到光纤布拉格光栅(FBG)在振动监测中的 优势,设计了一种基于对称铰链的中低 频布拉格光栅加速度传感器。阐述了传感器的结构和工作原理,并提出了一种拟合的方法计 算铰 链刚度,同时推导出了传感器固有频率和灵敏度的理论公式。采用SQP优化方法以两种不同 的思 路对传感器的结构参数进行优化,得到了两种满足不同需求的传感器尺寸。最后通过在振动 台上 的标定实验,测试了传感器的灵敏度、幅频响应特性和抗横向干扰能力等性能。实验结果表 明, 传感器的谐振频率约为400Hz,灵敏度约为230pm/g,横向干扰小于8%,具备较好的抗横向干扰能力。     

光纤光栅液位传感器的研究

根据光纤布拉格光栅(FBG)传感模型,提出了一种基于E型膜片和悬臂梁组合的FBG液位传感结构,建立了FBG反射中心波长随液面高度变化的数学模型。在0～100cm的测量范围内进行了实验研究,结果表明,液位对FBG反射中心波长调谐的最大漂移量为1.316nm,线性拟合度大于0.999,灵敏度为13.1pm/cm,与理论计算值(13.8pm/cm)比较,存在5.1%的相对误差。通过对理论模型的分析,改变E型圆膜片和悬臂梁的有关参数,可实现对传感器的灵敏度和量程的调整,使之更加实用化。     

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。     

基于PI湿敏薄膜的分布式光纤Bragg光栅湿度传感器

研究了基于聚酰亚胺（PI）湿敏薄膜的分布式光纤Bragg光栅（FBG）湿度传感器。传感器利用PI薄膜湿膨胀效应,将湿应变作用于Bragg栅区,从而改变光纤FBG湿度传感器中心波长的原理,实现了对26-98％RH范围内环境相对湿度的监测。通过改进PI湿敏薄膜的制备及涂覆工艺,有效提高了FBG湿度传感器性能,并采取了相应温...     

用于PEMFC的FBG湿度传感器的制作及性能研究

研究了以聚酰亚胺为湿敏材料的光纤Bragg光栅(FBG)湿度传感器并用其对质子交换膜燃料电池(PEMFC)停机过程中内部湿度进行了实时监测。传感器利用聚酰亚胺的湿膨胀效应,实现 了对24.7%－ 98%RH范围内相对湿度的监测。采用腐蚀光纤包层的方法减小光纤包 层直径,实验结果表明,该方法能在 不影响FBG相对湿度传感器灵敏度的情况下,提高对外界环境相对湿 度变化的响应速度。所 研制的FBG 相对湿度传感器灵敏度能达到3.8 pm/RH,线性度达到99.85%,最大回程误差不超过9pm,当环境相对湿 度从50%突变到85%时,经过腐蚀处理后的FBG 相对湿度响应时间仅为15.4 s。将该FBG湿度传感器布置 于PEMFC内部进行停机过程中湿度的实时监测,实验结果表明,所制作的FBG湿度传感器能够 准确地反映PEMFC停机吹扫过程中内部湿度的变化。     

一种新型滑动杆式光纤光栅振动传感器研究

为了提高振动传感器对加速度信号测量的灵敏度 ,本文提出了一种新型的基于悬臂梁和滑动杆结 合的光纤光栅振动加速度传感器。详细阐述了传感器的结构和工作原理,并推导了传感器固 有频率和灵敏 度的理论公式。最后通过振动台测试了传感器的固有频率和灵敏度,并和光纤光栅仅沿光纤 轴向上受力的 实验数据进行了比较。实验结果表明,传感器频率响应曲线的平坦区域在10～38Hz之间,传感器的固有频 率为62Hz,灵敏度为52.8pm/g。与光纤光栅 仅沿光纤轴向受力的实验相比较,加速度灵敏度提高了70.8%。