基于光纤光栅的小量程称重传感器设计

设计了一种小量程光纤布拉格光栅称重传感器,采用双孔单槽式悬臂梁型弹性体结构,并利用有限元软件ANSYS对弹性体结构进行优化设计,以满足小量程设计要求。采用四片光纤光栅布片方式,提高了传感器的灵敏度,并利用正应变和负应变的光纤光栅信号进行叠加,以补偿温度的影响。对传感器进行加载卸载实验,并对所设计的传感器进行了整体性能分析,实验结果表明,传感器的称重范围为0-4kg,线性度误差小于0.9%,温度补偿达到了一定效果,性能稳定,证明了设计方法的可行性。     

七芯光子晶体光纤温度传感器

为了深入探究七芯光子晶体光纤的传感特性,本利用有限元法研究七芯光子晶体对温度的传感特性,找到七芯光子晶体纤芯基模与包层高阶模的有效折射差与温度的关系,算出波谷波长与温度的变化关系,即理论灵敏度,并基于单模-七芯光子晶体-单模结构的马赫-曾德尔干涉结合水浴法进行温度传感实验检测.研究结果表明:七芯光子晶体光纤的理论灵敏值...     

高灵敏度长周期光纤光栅温度传感器的设计

为提高光纤光栅温度传感器的灵敏度,文中采取纤芯弹光系数大于包层弹光系数的长周期光纤光栅且在其包层外面涂覆一层随温度的升高折射率减小的薄膜材料,同时采用热膨胀系数大的金属封装光栅三种增敏措施。计算表明,增敏后的温度传感器其灵敏度系数为0.2375nm/℃,温度测量分辨力小于0.1℃。     

光纤布拉格光栅的通用组件化封装与温度调谐

提出了使用半导体光源管壳组件封装光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)方案以及利用组件中的致冷器、热敏电阻配合外围电路对FBG的工作温度进行双向精确控制实现温度调谐的方法,并制备了FBG的金属气密封装样品.在0℃、20℃、40℃环境温度条件下对封装样品进行了范围为-20C～60℃、步进为10℃的温度扫描测试.实验结果表明,FBG样品的中心波长调谐范围达到1.5nm,中心波长与设定的温度有较好的线性关系,调谐准确度优于0.5nm,且扫描结果基本不受环境温度变化的影响.     

基于布拉格光纤光栅的微位移传感器的研究

微位移测量是目前热点研究领域,光纤布拉格光栅作为良好的传感元件,已被用于微位移测量领域。本文首先对布拉格光纤光栅传感的基本原理进行了分析,在此基础上设计制作了一种光纤光栅位移传感器。采用布拉格光纤光栅作为传感元件,利用自解调法进行波长解调,然后设计一整套传感系统,对微位移量进行了传感测量。利用激光干涉仪和PI微动平台对系统性能进行测试,实验结果显示传感系统分辨率达到50nm,系统回零重复性的误差26nm,系统的灵敏度为21mV/μm,最大非线性引用误差为2.45%。     

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。     

基于LabVIEW的光纤布拉格光栅多节点应变监测技术

针对光纤光栅传感系统多节点有源地址查询技术,发展了一种基于LabVIEW软件平台的虚拟仪器,控制模拟电子开关各信道的导通时间,将来自传感光栅的脉冲信号按时序分配至各光纤光栅对应的输出信道,而且使开关动作与环行腔激光器中F-P滤波器的扫描同步。系统的测量范围为-672~672με,分辨力为5.9n,ε1540nm波长时系统传感灵敏度的实验值为1.57°/με,与理论值1.59°/με基本吻合。     

两种封装的光纤光栅温度传感器的低温特性

介绍了光纤光栅(FBG,Fiber Bragg Gratings)温度传感器的两种封装形式。推导了两种FBG温度传感器的温度敏感因素并进行了实验验证。实验研究了两种FBG温度传感器在-70~0 ℃的中心波长低温变化特性,比较了相同条件下两种FBG温度传感器的实验结果。结果表明:细不锈钢管封装的FBG温度传感器的中心波长在-60 ℃时发生了突变,急剧下降;而镀金FBG温度传感器的中心波长在-70~0 ℃随温度线性变化,重复性较好并且几乎没有迟滞现象。两种传感器在线性变化区间的温度灵敏系数KT 分别为28.2 pm/ ℃和21.3 pm/ ℃,分别是裸光纤布拉格光栅的3倍和2.3倍,它们的线性拟合度都超过0.999。     

金属直接连接的布拉格光纤光栅应变测量方法

为了简化应变传递环节,提高应变传递的长期稳定性,提出了一种将布拉格光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)器件与被测物利用金属化连接技术直接连接的应变测量方法.提出了金属化直接连接FBG应变测量结构,分析了金属化连接技术的基本原理与技术流程.根据弹性力学控制方程,建立了金属化连接材料优选的应力传递模型,仿真分析了不同金属连接材料对应变传感性能的影响,证明了金属化直接连接方法的理论优越性.利用金属铅作为金属连接材料将FBG固定在一根φ7 mm的钢丝上,进行了应变传感性能评价试验,试验结果表明FBG输出中心波长与拉力之间存在较好的线性与重复性关系,线性度达到0.999以上,应变传递系数可维持在0.98,该试验结果与理论分析结果0.982 8较为接近,证明了理论模型与连接技术手段的正确性与可行性,表明金属化连接的FBG应变测量方法具有优越的应变测量能力.     

一种基于光纤光栅新型位移传感器的研究

介绍了一种应用光纤光栅传感器测量狭窄曲面空间位移的方法.随着外界应力的变化,光纤光栅传感器的中心发射波长将发生相应的移动.利用此特性,提出并实现了一种用光纤光栅作为敏感元件测量狭窄曲面空间位移的方法,解决了特殊场合狭窄曲面空间位移的测量存在许多难以解决的问题,并对实验结果进行数据分析.     

基于光纤光栅的小热惯量温度场监测实验

为了研究温度传感器测量小热惯量温度场的准确性和即时性,对2ml沸水分别利用水银温度计、热电偶和金属管封装的光纤光栅温度传感器进行测温,所测温度的值分别为94.0℃、95.0℃和98.6℃,三者的响应时间分别为10.0s、8.5s、2.5s。可见,小体积金属管封装的光纤光栅温度传感器测量精度高,响应速度快。并对不同封装工艺的光纤光栅温度传感器的传感特性进行比较,结果表明,对于小热惯量温度场的监测,传感器的封装方式应采用小内径金属管封装方式。     

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。     

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。     

基于非对称全息干涉的倾斜光纤光栅研究

为了突破现存的倾斜布拉格光纤光栅制作方法的局限,提出了采用非对称光路制作倾斜条纹反射式光纤光栅的方法.该方法是通过在全息光路中加入柱面镜,将圆形光斑聚焦成线状激光,线状激光以平行于材料层的方式写入,从而获得不同倾斜角度,条纹间距任意的倾斜光纤光栅.通过写入条件的控制,达到精确控制光栅的反射率和带宽的目的.模拟仿真和分析...     

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%。     

基于平膜片和悬臂梁的光纤光栅压力响应特性研究

提出一种基于平膜片和等强度悬臂梁的组合式光纤光栅压力传感结构,应用材料力学和耦合模原理,分析得出了粘贴在悬臂梁上的双光纤光栅的中心波长偏移量与外界均匀压力成正比的结论,并应用软件仿真模拟了基模谐振波长的压力漂移特性。结果表明:布拉格谐振波长随压力线性增长,双光栅的组合使用,提高了测量灵敏度,解决了温度交叉敏感问题,这一结论对光纤光栅的生产和应用有一定的指导作用。     

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.     

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。     

基于光纤光栅的高速气流总温测量方法

针对航空发动机高速气流总温测量的需求,结合光纤光栅尺寸小、无需回路的结构特点,本文提出一种采用光纤光栅作为感温元的滞止罩式微型总温探针设计与测量方法。通过数值模拟方法对光纤光栅总温探针进行了气动结构设计,分析了探针结构参数对总温测量结果的影响;在此基础上,制作了光纤光栅总温探针,搭建了总温测量数据处理系统,并通过亚音速风洞试验测试了光纤光栅总温探针的工作性能。结果表明,在马赫数为0.3～0.8亚音速气流冲击下,光纤光栅总温探针具有良好的滞止效果和稳定性,马赫数大于0.5时其复温系数达到0.8以上,在马赫数为0.8时达0.99。所制作的微型光纤光栅总温探针直径低至0.8 mm,结构尺寸远低于热电偶探针,在满足总温精准测量的同时,可有效降低对流场的干扰。