光纤布拉格光栅压力传感器的高压实验研究

对光纤布拉格光栅的压力传感特性进行了理论分析,并在自行设计的膜片上在压力范围0～30MPa进行了加压和减压的高压实验。实验结果表明:光纤布拉格光栅的压力灵敏度较高,其值为5×10-11m/MPa,其中心波长与压力变化有着良好的线性关系和重复性,且没有迟滞现象,它们的相关系数都超过0 9999。因此,光纤布拉格光栅适合于高压情况下的压力测量。     

微型布拉格光栅土压力传感器的设计与试验

基于金属膜片受压径向拉伸特性。依据土压力传感器与土介质的匹配原则,设计了一种微型布拉格光栅土压力传感器。传感器充分利用金属膜片受到外界压力而产生的最大应变。传感器理论压力灵敏度为2.337 6 nm/MPa。用ANSYS建立金属膜片有限元模型,提取膜片中心点径向位移,得到仿真灵敏度为2.332 0 nm/MPa。用台式气压源、光纤光栅解调仪等设备组建气压标定平台,对传感器进行标定试验。试验表明,在0.3~1.0 MPa范围内,压力灵敏度为1.962 9 nm/MPa,较裸光栅提高654倍,线性度为99.4,具有低啁啾、稳定性高的特点。     

光纤光栅压力传感器的研究进展与趋势

由于在灵敏度、绝缘性、抗腐蚀和分布式测量等方面具有优势,光纤光栅压力传感器在能源化工、航空航天和土木工程等领域中逐渐地受到人们关注,并成为研究热点。通过综述近年来迅速发展的光纤光栅压力传感器的研究进展,介绍了利用光纤布拉格光栅(FBG)轴向应变构建压力传感器的工作原理、结构和特点,并按照光纤光栅安装方式对此类压力传感器进行了分类,同时概述了光纤光栅横向压力传感的实验研究,并对光纤光栅压力传感器的发展趋势进行了述评。     

基于光纤布拉格光栅的柔性触滑觉复合传感研究

针对仿生皮肤柔性触滑觉复合传感问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅的双层分布式传感单元。首先,研究了光纤布拉格光栅的传感机理,推导了基于参考光栅的温度补偿原理;然后,利用聚合物弹性材料对光纤布拉格光栅传感阵列进行保护性和增敏性封装,设计了双层"十字型"的分布式传感阵列单元,并对传感阵列单元压力灵敏度进行了仿真分析研究;最后,搭建实验系统平台,对柔性复合传感器进行了温度、触觉和滑觉传感实验。仿真和实验结果表明,该柔性触滑觉传感器具有良好的线性度和响应速度,温度灵敏度为13 pm/℃,是裸光纤布拉格光栅的1.31倍;正向压力灵敏度为7.289 nm/MPa,x正向和x负向剪切力灵敏度分别为0.060 2和0.063 6 nm/N;由滑觉传感特征信号可以获取物体的滑移信息。该传感器有望表贴或埋置于仿生手内部,对实现仿生手触滑觉信息感知具有一定的应用价值。     

波登管式光纤布拉格光栅压强传感器

基于光纤布拉格光栅传感模型，提出了一种悬臂梁与波登管相结合的光纤光栅压强传感器的组合设计，推导了光纤布拉格光栅中心波长偏移量与压强之间的解析关系式。理论和实验结果表明，压强调谐光纤布拉格波长的灵敏度系数的理论值与实验值分别为0．2246nm／MPa、0．2218nm／MPa，在0～6MPa测压范围内，调谐范围为1．35n／n．     

新型应变筒式光纤Bragg光栅压力传感器

设计并制作了一种基于弹性应变筒式光纤布拉格光栅压力传感器,通过对传统结构进行优化,即弧形筒身设计,避免了应力梯度的存在,使筒身受力均匀,同时增大了应力响应范围.使用参考光栅进行温度补偿,解决了交叉敏感问题带来的影响.通过对应变筒几何尺寸和材料的改变,达到具体测量所需传感头的参数.实验以普通不锈钢材料为基体,测量范围0～30 MPa,压力灵敏度达到0.033 nm/MPa.使用该结构可用于液体和气体的高压测量.     

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。     

用于假手指尖的光纤光栅触觉力传感器研究

针对现有假手触觉测量常用的薄膜压力传感器精度不佳、线性度差、迟滞性高等问题,研究了一种可安装于假手指尖的光纤布拉格光栅触觉力传感器。首先,通过传感单元的微小化结构设计,可以将施加的外力转化为光纤承受的轴向力;进而,通过有限元对传感器结构参数进行优化,提高了光纤光栅对于压力的灵敏度;然后,围绕假手指尖应用的需求,制作了这种光纤布拉格光栅触觉力传感器;最后,对该传感器进行了性能标定、对比分析和应用抓取3个实验分析,实验结果表明:该传感器压力灵敏度为0.103 8 nm/N,线性度R~2为0.998,重复性误差为1.32%和迟滞性误差为2.19%;与现有的薄膜压力传感器对比,该传感器的线性度和重复度都更高,迟滞性更低。     

温度和应力迟滞自补偿型光纤光栅传感器的研究

采用四对称悬臂梁与光纤布拉格光栅传感机构的组合设计，将2个相同反射波长的光纤光栅对称粘接于悬臂梁的上下表面，组成光栅串，实现对外压力的双光栅波长差的调谐方法。研究结果表明，该系统能自补偿光纤光栅压力传感系统的弹性迟滞影响，还能自补偿温度对光纤光栅压力传感的影响，解决了光纤光栅对压力和温度交叉敏感的问题，改善了传感系统的线性特性和重复性。在0～6MPa的测压范围内，双峰波长差的调谐范围为0—6．6nm，压力调谐双峰波长差的灵敏度可达1．12nm／MPa，在15—110℃测温范围内，温度调谐双峰波长的灵敏度可达0．028nm／℃。     

膜片式光纤光栅压力传感器的灵敏度分析

在理论推导光纤光栅压力传感器的灵敏度的基础上,采用结构增敏方法,设计并研制出了一种实用型高灵敏度的膜片式光纤光栅压力传感器,并用液压法对传感器的灵敏度进行了实验研究。实验结果表明,该高灵敏度膜片式光纤光栅压力传感器的反射波长移动量与膜片载荷(或水柱高度)成正比,其线性度达到0.9999,压力灵敏度系数为-0.023/MPa;实测压力灵敏度为0.03pm/Pa,理论压力灵敏度为0.0301pm/Pa,与实测压力灵敏度非常接近,二者的相对误差仅为0.33%。     

Application of Fabry-Pérot and fiber Bragg grating pressure sensors to simultaneous measurement of liquid level and specific gravity

An approach is proposed for obtaining simultaneous measurements of the level and specific gravity of a liquid using a dual-pressure-sensor system comprising a fiber Bragg grating (FBG) pressure sensor and a Fabry-Pérot (FP) pressure sensor. In the FBG sensor, the pressure is derived from the FBG wavelength shift induced when the sensor is immersed in the liquid. Meanwhile, in the FP sensor, the pressure is calculated from the change in cavity length which takes place when the sensor is immersed. The advantageous concept of the dual-pressure-sensor system is atmospheric pressure compensation. The experimental results show that the FBG and FP pressure sensors have sensitivities of 0.1495 nm/kPa and 0.1569 μm/kPa, respectively. Analytical formulae are derived for the level and specific gravity of the liquid in terms of the FBG wavelength shift, the change in cavity length, and the vertical separation distance between the two sensors.     

压差式光纤Bragg光栅流量传感器

采用文丘里管式节流管和光纤Bragg光栅压强机构设计了一种压差式光纤光栅流量传感器。该传感器中将两根光纤光栅分别粘贴在两个垂直固定于圆筒壁内的等腰三角形悬臂梁中心线上,有效解决了温度与应变的交叉敏感问题,提高了测量精度。实验测试结果表明,光纤光栅流量传感器中布拉格波长漂移量与流量的函数关系为二次曲线,实验结果与理论分析值符合得较好,其相对误差为2.9%。为了进一步减小误差,应选用光纤、粘结剂及波纹膜片三者杨氏模量相近的材料。     

Fiber Bragg grating temperature sensor for practical use

Fiber Bragg grating (FBG) is a promising measurement technology for future sensor system applications. Little attention has been given to the FBG sensor housing, however it is important that the FBG is embedded in a conventional electrical sensor housing so that it may be installed easily in instrumentation systems. We have experimentally fabricated a practical pass-through type FBG temperature sensor which is embedded in the conventional thermocouple housing. A small radius U-turn fiber spliced to the FBG is placed inside the top of a stainless sheath. Employing a high numerical aperture fiber with polyamide recoating, we have determined that the bending loss of the small radius U-turn fiber and heat resistance is less than 0.1 dB and up to 250 degrees C respectively. The wavelength shift of this sensor due to temperature change is 10.3 pm/degrees C equal to that of general FBG. Consequently the practical use of this sensor has been confirmed.     

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%。     

Monitoring of sea bed level changes in nearshore regions using fiber optic sensors

This work reports the implementation and test of a pressure optical sensor suitable to measure, in situ, the sea bed level changes in the nearshore regions. The sensor is based on a fiber Bragg grating (FBG) embedded in a polymeric resin block. The increase of the pressure on the top face of the sensor, due to the change of sediments layer height, results in a change of the FBG Bragg wavelength. The sensor response reveals the capacity to discriminate sea bed level changes down to 2.5 cm, under field survey conditions. Finally, the sensor was successfully tested in a field trial survey at Costa da Caparica, Portugal.     

基于环向应变的燃气管道泄漏监测实验研究

燃气管道由于其功能的特殊以及深埋于地下或海底的环境,如果泄漏将引起灾难性的后果。泄漏引起的负压波会导致管道内压降低,进而引起管道环向应变减小。提出一种利用光纤光栅应变传感器测量管道环向应变,对管道泄漏进行无损监测的方法。利用准分布式安装在燃气管道模型主线以及支线上的光纤光栅应变传感器（fiber Bragg grating,简称FBG）进行多种泄漏工况模拟试验,包括不同位置泄漏、支线泄漏和模拟调泵。试验结果表明,光纤光栅应变传感器能够迅速准确地监测到管道的泄漏信号,这种基于环向应变监测的管道泄漏监测方法是可行的,具有很大的发展前景。     

A new method for resolving the influence of circular birefringence in FBG weak pressure sensor

Ideally, there is a linear relationship between the max of PDL and pressure in FBG weak pressure sensor. However, the linear relationship has been broken down because of the cross sensitivity about the circular birefringence and pressure. In this paper, the relative PDL was proposed to solve the cross sensitivity problem. For different circular birefringences, the experimental results show the same pressure sensitivity value of 2.29 dB/(N/nm). The theoretical analysis and experimental results prove that the proposed method can solve the cross-sensitivity problem in FBG weak pressure sensor. This research can provide useful information to practical application.     

基于正弦机构力放大原理的高灵敏度光纤光栅压力传感器

基于正弦机构力放大原理，设计研究了基于平面圆形薄板结构的新型高灵敏度光纤光栅压力传感器，研究表明，传感器的压力灵敏度可高达0．04711（pm／Pa），比裸光纤增敏了14989倍，可应用于超低量程压力的传感测量，而该封装结构易于传感FBG多路复用，组成传感器阵列。     

基于光纤布拉格光栅(FBG)原理的三坐标测量机测头结构

介绍了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感原理的三维测头。FBG的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器,布拉格波长方程为λB=2neΛ。外界应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期Λ和纤芯折射率ne,并且FBG对轴向应变特别敏感。本测头采用三根竖直放置均布于圆柱面内的FBG,FBG的上端固定在一个固定架上,下部与一个支架连接。支架通过三根钼丝悬挂在内,测杆也固定在这个支架的中心,支架能够随测针一起自由偏摆。测杆与被测件接触时发生偏转,支架把偏摆量转化为对FBG的轴向应变,从而使FBG的布拉格波长变化。本测头传感系统采用匹配光纤光栅滤波的解调方式,选用四根参数一样的光纤光栅(其中三根做传感光栅,一根做参考光栅)。宽带光源经过耦合器进入传感FBG,从传感FBG反射的光经过耦合器进入匹配FBG,用高精度探测器测量匹配光栅的反射能量。当测杆偏摆时,传感FBG的布拉格波长受应变的影响而变化,从而使参考光栅反射的能量发生变化。本文主要介绍这种自主研发测头的结构分析,传感系统。