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.     

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。     

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。     

监测桩基冲刷状态的新型光纤Bragg光栅传感器

桥梁结构被破坏的重要原因之一就是水流对桩基的冲刷使桥墩附近的基础被逐渐冲蚀,桥墩通常对于水流起阻碍作用,进而导致在桥墩附近水流流速过快并产生漩涡,冲蚀桥墩附近基础,使桥梁处于不安全的状态。由于河流冲蚀对桥梁造成的破坏已经成为世界关注的焦点。目前的桩基冲刷监测方法如人工深度尺、声纳、雷达和时域反射计(TDR)等有离线、精度低、稳定性差、成本高和传感元件耐久性差等缺点,难于实时、准确监测桩基的冲刷状态。文中提出了一种通过监测桩基附近土压力大小进而分析桩基冲刷状态的新型冲刷传感器,敏感元件选取光纤光栅(FBG),光栅的封装采用经过结构优化设计的GFRP悬臂梁,在此基础上制作出适合实际工程应用的光纤光栅桩基冲刷监测传感器,同时通过大量的实验验证了这种传感器的传感性能,其空间分辨率达0.1 m.     

分布式光纤Bragg光栅振动加速度测量及其系统的研究

本文基于连续波调频、波分、光纤光栅测量等技术，利用分布光纤光栅阵列设计了加速度实时测量系统。系统中，利用微机械技术设计加速度测量探头；应用连续波调频技术、波分技术实现串、并联光栅信号的解调。应用扫描滤波技术实现信号的辨识。本研究可完成低频微振动加速度信号多点测量。     

贴片式光纤Bragg光栅应变传感器

为解决因光纤的圆柱型结构所带来的粘贴问题，引入了粘贴式光纤Bragg光栅应变传感器。该传感器被粘贴于可通过加载载荷的方式产生应变的等强度悬臂梁的表面，并用光谱仪获得了光纤Bragg光栅的反射谱。实验表明Bragg波长对荷载产生的波长偏移分别为0.901nm／μm和-0．902nm／μm．计算表明：Bragg波长偏移量的最大标准误差为0．003nm．结果表明该传感器可满足建筑工程结构检测中对测量精度要求。     

分离应变和温度的差动式光纤Bragg光栅传感器

作为传感元件，被光纤Bragg光栅测量的物理量的信息是一种波长编码的绝对测量，然而，其本质的限制是对多变量的交叉敏感。实验表明：温度波动严重干扰了应变式光纤Bragg光栅传感器的测量，拉、压应变的标准误差为0.21mn和0．20mn．根据粘贴于悬臂梁上、下表面的光纤光栅的Bragg波长响应温度和应变的差异，分离了应变和温度的耦合信号，拉、压应变的标准误差降低到了0．005mn和0．20nm．根据粘贴于悬臂梁上、下表面的光纤光栅的Bragg波长响应温度和应变的差异，分离了应变和温度的耦合信号，拉、压应变的标准误差降低到了0．05mn和0．07mn．值得注意地是：在该机械补偿方案中，温度检测不是必需的。     

结构封装式光纤Bragg光栅温度补偿研究

光纤Bragg光栅的中心反射波长λB会随温度的变化而漂移,影响其在波分复用及压力测量等方面的应用.本文通过对石英和有机玻璃两种热膨胀系数不同的材料进行合理的结构设计,提出了一种无源温度补偿装置,探讨了施加预应力对光纤Bragg光栅补偿效果的影响,并对单面封装和双面封装的补偿效果进行了对比研究.该装置在-19℃～60℃的温度范围内,中心反射波长仅漂移0.035nm,温度稳定性大约提高了20倍.     

窄间隙条件下基于光纤Bragg光栅的曲面位移测量

在充分利用光纤Bragg光栅既是敏感元件又是传光元件这一特点的基础上,提出一种在曲面空间间隙小于1 mm的窄间隙条件下,测量两曲面间相对位移的方法。设计一种矩形弹片式传感探头,利用其挠度与应变之间存在的对应关系,通过应变对光栅Bragg波长的调制,获得光栅Bragg波长偏移量与曲面位移之间的线性关系。通过双光纤光栅的应变差动成功消除了光纤Bragg光栅存在的温度干扰问题。结果表明,当曲面相对位移量在0.35～0.85 mm范围内时,测量系统的灵敏度达2.54 nm/mm,线性度优于1%。     

光纤光栅压力传感器实验研究

文中提出了一种新颖的光纤布拉格光栅压力传感器,它是利用光纤布拉格光栅(FBG)对应变的传感特性,将光纤布拉格光栅粘贴于C型压力弹簧管上的特定位置,通过光纤布拉格光栅反射波长的变化,来实现对压力的测量。该传感器灵敏度的实验值和理论值分别为0.671nm/MPa和0.791nm/MPa,且具有很好的线性度,迟滞很小,有一定的发展前景。     

基于温度补偿方法去敏的新型光纤光栅压力传感器

本文阐述了一种带温度补偿、基于平面薄板结构的新型光纤光栅压力传感器.作为弹性体的压力敏感薄板,其硬心通过一L型刚性位移传递机构拉动压力敏感FBG;温度去敏通过被动温度补偿和残留温度效应实时修正来解决.传感器性能指标测试如下:重复性0.066%FS,回程误差0.846%FS,线性度0.102%FS,传感器精度±0.591%FS;在-30℃到+80℃范围内,传感器零点漂移为+1.720 8%FS,灵敏度漂移为+0.010 4%FS,传感器温漂为+1.731 2%FS.     

基于LabVIEW的光纤光栅传感解调系统的研究

本设计基于LabVIEW可视化界面技术和光纤Bragg光栅波长解调的原理,对微型光谱解调分析模块的数据采集系统进行深入研究。并介绍在LabVIEW平台下进行串行通信采集FBG传感温度信号和数据处理的技术,形成基于LabVIEW友好界面、功能完备的光纤光栅解调系统,取得较好的试验效果。同时解决普通光谱解调设备成本高、体积庞大和只简单显示波长的难题。     

基于光纤光栅的温度与压力柔性传感性能测试

为了探究光纤FBG埋入仿生体中的传感性能,制备了一种光纤FBG柔性传感器,并对其温度和力觉的感知能力进行了探究。首先,介绍了FBG柔性传感器的结构及制作方法;接着,建立了柔性传感器的温度和压力传感模型,并使用有限元分析软件Abaqus对柔性传感器受压情况进行理论模拟;最后,对FBG柔性传感器和裸FBG传感器的温度和力觉感知能力进行了对比试验。试验结果表明,FBG柔性传感器灵敏度在升温和降温过程分别为13.14和11.06 pm/℃,是裸FBG传感器的1.3倍;静态压力加载过程和卸载过程分别为0.318 1和0.345 3 pm/g,比裸FBG传感器提高了3倍且线性相关系数为99.5%,较裸FBG传感器线性度好;检测通行载荷信号比裸FBG传感器强;20 g实心钢球从50 cm高度冲击应变值为38με,跟踪效果明显。该传感器灵敏度高且重复性好,对仿生体皮肤的触滑觉研究有一定的参考意义。     

Planar optical waveguide temperature sensor based on etched bragg gratings considering nonlinear thermo-optic effect

This paper demonstrates the development of optical temperature sensor based on the etched silica-based planar waveguide Bragg grating. Topics include design and fabrication of the etched planar waveguide Bragg grating optical temperature sensor. The typical bandwidth and reflectivity of the surface etched grating has been ∼0.2 nm and ∼9 %, respectively, at a wavelength of ∼1552 nm. The temperature-induced wavelength change is found to be slightly non-linear over ∼200 °C temperature range. Typically, the temperature-induced fractional Bragg wavelength shift measured in this experiment is 0.0132 nm/°C with linear curve fit. Theoretical models with nonlinear temperature effect for the grating response based on waveguide and plate deformation theories agree with experiments to within acceptable tolerance.     

光纤布拉格光栅压力增敏机构

本文基于光纤布拉格光栅压力传感模型,系统地阐述继M.G.Xu等人的空心玻璃球FBG增敏机构之后的几种光纤布拉格光栅压力传感增敏装置的结构和原理,并对其优缺点、性能指标等加以比较。     

磁性液体微压差传感器校准信号源的研究

提出了一种新颖的低频(0.1～100Hz)磁性液体正弦压力信号源,可用于微压差传感器校准实验,该信号源能够产生与激励电流频率相同的正弦微差压.利用单自由度受迫振动原理分析了输入电信号和输出压力信号之间的函数关系.采用有限元方法(FEM)分析了磁性液体正弦压力信号源内的磁场分布并计算了磁性液体所受磁场力.最后搭建了测试信号源性能的实验平台,并给出了实验结果,由此计算了系统的固有频率及阻尼比等特征参量.实验结果显示与理论分析一致.     

A diaphragm-type fiber Bragg grating pressure sensor with temperature compensation

A diaphragm-type fiber Bragg grating (FBG) pressure sensor with two bare FBGs directly bonded on a circular diaphragm along the radial direction has been proposed and studied. Measurement principle and simulation analysis of the pressure sensor are introduced. Using the wavelength shift difference of the two FBGs which respectively measure the positive and negative strain as sensing signal, the pressure sensitivity is increased and the temperature cross-sensitivity is compensated. Experimental results indicate that the measurement sensitivity is 1.57 pm/kPa in a range from 0 to 1 MPa, the correlative coefficient reaches 99.996%, and the temperature compensation performance is distinct. This kind of pressure sensor could be used to measure and monitor the static/dynamic pressure of gas or liquid.     

Novel liquid flow sensor based on differential pressure method

In this article, a novel liquid flow sensor which is composed of a special structure conduit main body and a differential pressure sensor was designed, fabricated, and calibrated. The conduit main body includes an inlet channel section with a branch conduit connecting one end of the pressure sensor, a throat channel section, and an outlet channel section with a branch conduit connecting another end of the pressure sensor. The basic principle is to employ a differential pressure sensor to measure the pressure difference between the inlet channel and outlet channel of the conduit main body when fluid passes through it. The pressure difference between the two ends of the differential pressure sensor (i.e., the two branch conduits located in the inlet and outlet channel sections) is of either forward or backward flow and directly interrelates with the volume flow rate (mass flow rate or flow velocity) via the conduit main body, so the volume flow rate or mass flow rate or flow velocity can be calculated and the flow direction can be determined from the detected pressure difference. This liquid flow sensor is characterized by using only one differential pressure sensor of a simple structure, the error of which is less than 1%.     

膜片式微型F-P腔光纤压力传感器

为满足工业和生物医学领域对微型化传感器的需求,实验研究了基于Fabry-Perot(F-P)干涉仪原理的膜片式微型光纤压力传感器的制作工艺.在单模光纤端面上直接熔接外径约175 μm的毛细石英管,在石英管的另一端制作敏感膜片,从而使光纤端面与膜片内表面之间形成F-P干涉腔.采用电弧熔接、切割、腐蚀膜片等方法制作了石英膜片式压力传感器,该传感器在0～3.1 MPa内F-P腔的腔长变化灵敏度为41.09 nm/MPa,压强测量分辨率为681 Pa,并具有很小的温度敏感系数.在30～140 ℃,温度交差敏感＜1.07 kPa/℃.为了克服石英膜片减薄困难的缺点,选用聚合物材料(PSQ)作为压力敏感膜片制作了F-P传感器.室温下在0.1～2.1 MPa,PSQ膜片的F-P腔长变化灵敏度达到1 886.85 nm/MPa,压强测量分辨率达到53 Pa,十分接近人类或其他动物的体内压强测量水平.     

一种新型的光纤光栅高频加速度传感器

提出了一种新型的高频响应光纤光栅加速度传感器,并进行了理论分析和实验研究.传感器由钢管、质量块组成弹性系统.将光纤光栅粘贴于钢管内部来感知应变,利用双光纤光栅匹配滤波解调技术,直接输出光强度信号,取得了谐振频率3 232 Hz、线性测量范围0.1-4 g、线性灵敏度669 mV/g的较好结果.