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。     

便携式光纤Bragg光栅波长解调仪的研制

近年来光纤光栅在传感领域中的应用研究日益得到关注，其中光纤光栅波长解调是光纤光栅传感器得到应用推广的关键之一。针对大型建筑结构监测应用领域，研制了一种便携式光纤Bragg光栅波长解调仪。解调仪基于无源比例解调原理，以熔融拉锥器件作为线性滤波器，采用锁相放大技术提取微弱信号，并利用单片机控制光纤Bragg光栅波长信息的采集、显示以及存储。解调仪结构简单、成本低，可实现大量程波长测量。实验表明，该光纤光栅解调仪解调范围达15nm，波长测量精度为12．4pm。     

光纤Bragg光栅的研究

分析了光纤Bragg光栅的特性,讨论了其结构参数。通过紫外光写入的方式,在普通单模光纤上制备了光纤Bragg光栅。典型的光纤Bragg光栅在1.56μm波段的反射率达99%,带宽0.6nm.     

光纤Bragg光栅传声器设计

在详细分析光纤Bragg光栅(FBG)振动传感原理的基础上,设计了基于悬臂梁结构的光纤光栅传声器.系统采用结构简单、解调速度快的线性斜边滤波解调方法,选用1 531 nm/1 551 nm的CWDM作为滤波器件,其边带斜率为13 dB/nm.分别进行了单频信号(300 Hz和4 kHz)测试实验及声音信号测试实验,表明该传声器具有良好的频率检测性能和较高的信噪比,可以无失真地传递人的声音.而且,该系统可以实现光源复用,降低系统成本.     

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。     

基于温度减敏的光纤Bragg光栅应变传感器

分析了光纤Bragg光栅(FBG)传感器的温度、应变交叉敏感机制,基于等强度梁的变形特点,提出了一种新型的90°楔形传感探头式双光纤光栅矩阵算法,既克服了传统矩阵算法的限制,又有效地消除了光纤Bragg光栅测量过程中温度对应变测量的影响,且由这种结构上的减敏措施,可以求出温度的变化。该方案简单易行,具有实际应用价值。改进封装工艺,可以使得测量数据更加精确。     

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%。     

光纤Bragg光栅应变传感器在桥梁结构监测中的应用

为了更准确了解桥梁结构变化情况,提出了一种新的检测方法。采用串联式组网方法,用光纤Bragg光栅(FBG)表面式应变传感器,对大桥左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测。对裂缝存在区域的20个监测断面进行近一年的监测结果表明,对温度(测量记录最大温差6.4℃)进行补偿后,光纤Bragg光栅应变传感器的应变在正常范围内,表明在监测期桥梁结构稳定无异常变化。     

贴片封装的光纤Bragg光栅温度传感器

分析了光纤Bragg光栅的传感原理，提出了一种基于铍青铜片封装的光纤光栅温度传感模型。通过用一种耐高温胶将FBG粘贴在膜片材料上，使FBG在温度变化过程中一直保持张紧状态，保证FBG温度传感器有良好的重复性和线性。在20～200℃范围内进行温度实验，实验结果表明，FBG反射波长与温度有很好的线性关系，该温度传感器的温度响应灵敏度为0．0315nm／℃．实验拟舍值与理论值之差仅占理论值的2．9％。该传感器的温度测量范围大，可应用在油气井下较高温度环境的测量。     

光纤Bragg光栅测力环在系杆拱桥中的应用

针对系杆拱桥索力长期监测的特点，研制了光纤Bragg光栅锚索测力环。光纤光栅测力环具有测试精度高、测试简单方便、长期可靠性好和抗干扰能力强等突出优点。介绍了光纤光栅测力传感器的结构特点和研究过程，及其在系杆拱桥换索施工中的成功应用。应用结果表明，光纤光栅测力传感器可有效监测钢管混凝土系杆的受力状况。     

强度调制的光纤布拉格光栅磁场传感器

设计了一种基于光纤布拉格光栅啁啾效应的磁场传感器,导出了光纤布拉格光栅的反射谱带宽与磁感应强度的关系。传感器工作时,磁场中的圆盘形软铁受到通电螺旋管线圈磁场力的作用,引起矩形悬臂梁变形,从而导致粘贴在悬臂梁侧边的光纤布拉格光栅的反射光谱带宽发生变化;利用光谱分析仪,通过检测光纤布拉格光栅反射谱带宽的变化量,即可得到被测磁场磁感应强度的大小。当光谱分析仪的分辨率为0.001nm时,可测量磁感应强度为6~70mT。实验结果表明:该光纤布拉格光栅反射光谱带宽的变化量对温度变化不敏感,当温度从0℃变化到45℃时,3dB带宽的变化小于8pm。实验结果和理论分析一致,表明该方案切实可行。     

光纤布拉格光栅压力传感的分析与计算

为了检测光纤布拉格光栅(FBG)对压力响应的灵敏度和可重复操作性,根据FBG传感的原理,分别讨论了其温度和应变传感特性。通过实验测量了FBG轴向应力与中心反射波长的关系,得到两者之间呈良好的线性关系,光栅的轴向应变灵敏度为0.013pm/μm。将FBG黏贴在一圆柱杆上,测量了压力增大和减小时FBG中心波长的变化,拟合得到线性度分别可达到0.999 0和0.999 9,压力响应灵敏度均为4.8×10~(-3) nm/MPa,并计算出中心波长实验值的相对误差为2.05%,同时分析了误差存在的主要原因。     

基于光纤布拉格光栅的化学传感器

除掉光纤布拉格光栅的包层,可以使它的布拉格波长对外界环境的折射率变化敏感。采用氢氟酸腐蚀掉光纤布拉格光栅的包层,获得了直径约为6 μm的布拉格光栅。实验研究了布拉格波长对化学溶液的浓度敏感性特征,结果表明:采用10 pm分辨率的光谱仪,丙二醇溶液在低浓度时的浓度分辨率为0.7%,在高浓度时的分辨率为0.32%;糖溶液在低浓度时的分辨率为0.55%,高浓度时为0.1%。采用商用的分辨率为1 pm的高精度波长解调系统,它们的分辨率可以提高一个数量级。     

滑动式光纤布拉格光栅位移传感器

为克服现有光纤光栅位移传感器设计中存在的传力介质弹性系数易改变、滑块易产生偏移等对测量精度的不利影响,提出了一种滑动式位移传感器。楔形滑块的滑动面和限制面的采样互相垂直、等强度梁的变截面和一体化、滑动面圆弧化等特殊设计,使传感器具有抗滑动干扰性、梁挠位移测量的高灵敏性、长期往复测量的耐磨性等优点。阐述了传感器测量原理,加工制造了传感器原型,并开展了全面的性能测试。测试结果和误差分析表明:传感器在0~100mm的量程中,灵敏度为20.11pm/mm,精度达到0.099 5%F.S,具备良好的微位移测量能力;重复性误差和迟滞误差分别仅为0.705%和0.403%,且抗蠕变性能良好,可满足机械装备、土木工程等重大设施的结构健康监测对位移、变形测量的精度和长期稳定性要求。     

5MN光纤布拉格光栅力值传感器

针对山体滑坡中大力值监测的应用需求,提出了基于光纤Bragg光栅(FBG)的5 MN力值传感器。该传感器采用8根FBG构成4组光栅偶对圆柱弹性体的应变进行采集,光栅偶能有效地补偿温度对FBG尺寸的影响。通过ANSYS数值模拟计算并优化了圆柱弹性体的结构尺寸,并按照国家规程进行了传感器检定实验。实验结果表明,该传感器的直径为124mm,长度为302mm,应力测量范围为500~5 000kN,综合精度为1%,最大力值对应的波长变化为2 567pm,灵敏度为2kN/pm。该传感器除具有光栅传感的基本特点以外还具有结构简单、量程大、精度高等优点,不仅适用于滑坡力值监测,还适用于建筑、化工、煤矿、军事等领域的力值监测。     

Bragg光纤传感技术应用研究

分析了光纤光栅传感器的工作原理,介绍了成栅技术及应用前景,提出了在应用光纤光栅传感技术时解决温度、应力交叉敏感等问题的新方法.研究结果对Bragg 光纤传感器在工程技术领域具有一定的应用价值.     

光纤傅里叶变换光谱术在光纤光栅传感解调中的应用

介绍了光纤Mach-Zehnder干涉仪的基本原理和光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)的结构;基于光纤Mach-Zehnder干涉仪,采用傅里叶变换光谱算法对光纤Bragg光栅传感器的波长进行了解调。宽带光源发出的光经过光纤耦合器进入光纤Bragg光栅,其反射光由耦合器返回进入到FFTS中进行测量,FFTS的最高光谱分辨率达到0.05 cm-1,即在近红外1 550 nm波长处分辨率为0.012 nm。分别对光纤Bragg光栅的应变特性和温度特性进行了测量。测量显示:光纤Bragg光栅的应变灵敏度为0.833 pm/με,温度灵敏度为19.78 pm/℃。得到的结果表明FFTS系统具有高分辨率、大测量范围的特点,可满足光纤Bragg光栅传感器波长解调的需求。     

光纤光栅传感器阵列在撞击定位监测中的应用

本文提出基于半导体环形激光器的光纤传感阵列系统,用于在铝板上撞击定位监测。采用光纤法布里-珀罗(F-P)标准具对光纤布拉格光栅(FBG)传感器信号进行解调。施加在FBG传感器的应变被编码为FBG反射光的波长位移,然后由自由光谱范围为50 GHz的光纤F-P标准具转换为强度调制。通过波分复用技术,光纤F-P标准具可同时解调多个FBG信号,光纤传感阵列系统安装在厚度为1 mm的铝板上,50 g的小钢球在20 cm的高度自由下落撞击铝板产生声发射信号。利用时频小波分析,从测量的FBG传感器瞬态响应中获得的Lamb波的群速度频散曲线,并根据三角定位算法,确定撞击点的坐标。经过撞击试验,通过本系统和定位算法的平均定位精度误差在30.89 mm,达到了较好的精度。     

Differential strain measurement using multiplexed fiber Bragg grating sensors

We investigate differential measurement of strain using fiber Bragg gratings and spatial demultiplexing methods. Differential measurement is shown to improve strain resolution in the presence of noise by an average of 34% compared to absolute measurements of the Bragg wavelengths. Spatial demultiplexing of the gratings provides potentially high-resolution sensing without calculating the sensor wavelengths. The differential method is still temperature dependent. We apply the differential technique to the problem of oil-water boundary detection in production columns, with promising preliminary results.