温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器

飞机载荷参数测试对保障飞行安全至关重要,光纤光栅传感器凭由诸多优势在不断尝试应用在其中。为了实现对结构应变的精确测量,同时排除温度带来的影响,通过对基底及光栅刻写工艺的特殊设计,实现了温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器,并对基底进行有限元分析。在10~60℃的温度范围内,该新型传感器温度灵敏度为45pm/℃,较裸光纤光栅增敏4.5倍,线性度良好。在MTS拉伸试验机上测试拉伸试验件在0~700με条件下传感器特性,灵敏度为1.46pm/με,较裸贴方式增敏1.4倍,线性度良好。传感器温度误差小于0.1℃,应变误差小于3με。实验结果表明,传感器解耦性能良好,与理论分析相符,满足飞机载荷谱测试的应用背景。     

工程化光纤光栅应变传感器的制作及其应用

分析了适用于动态应变测量的光纤光栅传感器所应满足的条件，并进行了相关实验。在实验的基础上，设计并制作了一种适用于工程化的光纤光栅动态应变传感器。对等强度水泥梁以及实际工程中的卢浦大桥等场合，用该光纤光栅应变传感器与传统的电阻应变片传感器进行了对比验证。实验结果表明，光纤光栅应变传感器具有很高的精度。     

光纤光栅微应变测量系统研究

本文提出了一种新型的光纤光栅F-P腔传感探头,分析了其在轴向应变作用下分裂点处波长的漂移情况,设计出了基于此理论的微应变测量系统,并进行了实验验证.实验表明,此系统能够实现微应变的测量,其分辨率为0.0098με.     

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.     

闪耀透射光栅衍射规律的分析和验证

基于标量理论研究了不同槽形角,不同刻线密度的透射式闪耀光栅对使用波段的影响,推导了闪耀透射光栅的衍射光能量分布规律。分析证明了透射闪耀光栅在衍射能量最强方向上衍射光的衍射角与入射光的入射角之间的关系满足Snell定律。给出了入射角、衍射角与槽形角之间的关系式,研究了不同刻线密度和槽形角条件下衍射光能量分布的规律。对闪耀透射光栅进行了测量和比较,结果表明:已有闪耀透射光栅测量的结果与理论计算数据相吻合。制备了聚二甲基硅氧烷(PDMS)可调谐闪耀透射光栅,应用研究的理论公式测量了该闪耀透射光栅在拉伸与自由状态下的闪耀波长和光栅刻线密度,结果显示其波长测量误差在5nm以内。拟合了光栅的等效槽形,验证了实时监测PDMS光栅槽形和刻线密度随拉力大小变化的规律。     

紫外平面全息正弦光栅与闪耀光栅部分特性的理论研究

基于有限电导率光栅的微分理论,对工作在紫外光区的全息正弦光栅和三角槽形光栅的衍射效率做了数值计算。给出了紫外全息光栅的闪耀特性分布曲线并分析了三角槽形光栅顶角大小对衍射效率的影响。     

风力机叶片表面应变的光纤光栅检测方法研究

以风力发电机叶片为研究对象,提出风力机叶片表面应变的光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)检测方法.通过数值模拟得到叶片表面应变分布规律,以此设计光纤光栅检测方法,并开展叶片表面应变检测实验.通过对实验结果和仿真数据进行对比、分析,验证所提检测方法的可行性与有效性.结果表明:光纤光栅传感器结构轻简、信噪比高;该检测方法能够实现快速准确地检测风力机叶片表面应变变化.     

基于VI技术的光纤光栅应变测试系统的研究

传感器、通信和计算机技术成为现代信息技术的三大支柱，光纤传感技术则代表了新一代传感器的发展趋势。笔者分析了布拉格光纤光栅应变传感器的基本原理，结合计算机VI技术，设计了一种光纤光栅应变测试系统，并与电阻式应变传感器进行了应变对比测试实验。实验结果表明，该系统不但具有传统电测法的优点，同时具有灵敏度高、抗干扰性强的特点，可用于金属结构健康状态的在线监测，在工程实际应用中具有重要意义。     

少模光纤倾斜光栅制备及扭转传感研究

设计了一种基于少模光纤倾斜布拉格光栅的反射型扭转传感器,小角度倾斜光栅中的纤芯基模与二阶模在光栅处发生互耦,通过测量该过程形成的反射峰强度变化实现扭转测量。分析了光栅倾斜角度对模式耦合效率的影响,采用相位掩模板法在线刻写光栅技术,在少模光纤上刻写了不同的小角度倾斜光栅;在此基础上选择倾斜角度为1°的光栅进行了单点、双点扭转传感实验,实验表明其反射光谱中基模与二阶模的互耦合峰(LP₀₁-LP₁₁)对光纤扭转敏感,可以实现对扭转角度大小的测量。在-50°～-150°逆时针扭转过程中,扭转灵敏度为0.52 dB/(rad·m^-1),而在40°～190°顺时针扭转的角度范围内,扭转灵敏度为0.34 dB/(rad·m^-1)。这种传感器具有在单根光纤上实现多点扭转传感的潜力,在多点扭转监测方面具有应用前景。     

倾角对倾斜光纤光栅光谱特性的影响

基于倾斜光纤光栅模式耦合理论,研究了倾斜角度对光纤光栅光谱特性的影响,并应用OptiGrating软件进行数值模拟仿真。通过对不同倾斜角度得到的光纤光栅反射谱及透射谱的研究发现,随光栅倾角的增大,布拉格波长的中心波长偏移,同时反射率下降,而包层模式耦合增强,透射损耗变大,群时延减小。仿真结果对光纤光栅的设计和优化有一定的指导意义。     

长周期光纤光栅的折射率梯度响应特性

通过模式耦合理论,建立了基于长周期光纤光栅(LPFG)的二层圆光波导模型;结合传输矩阵法,仿真得到了外部介质折射率呈线性分布情况下LPFG的透射谱。仿真结果表明：该结构下的LPFG透射谱特性强烈依赖于外部介质折射率梯度,当外部介质折射率梯度升高,透射谱的损耗峰深度逐渐降低,损耗峰3dB带宽逐渐增加,且增加量与折射率梯度的增加量呈较好的线性关系;当外部折射率梯度由1.111 1×10-7 riu/mm增加到1.111 1×10-5 riu/mm时,其梯度灵敏度可达到2.2×107 nm·mm/riu。这一结果使折射率梯度的高灵敏度测量成为可能,为设计和制作基于LPFG的折射率梯度传感器提供了一定的理论依据,并有望用于生化反应中微小尺度下折射率呈梯度分布的液相介质的测量。     

机械感生长周期光纤光栅的实验

为了研究机械感生长周期光纤光栅 (MLPFGs) 的特性,利用机械微弯法写制了长周期光纤光栅.采用机械先加工技术制作了周期性压力槽,通过设计机械写制结构,制作了MLPFGs,并实验验证了周期性压力槽的周期、周期数以及外加应力等参数与MLPFGs透射谱的关系.最后, 研究了温度对带有涂敷层和无涂敷层单模光纤写制的MLPFGs的影响.实验表明:MLPFGs的最大谐振峰值可达16 dB,插入损耗＜0.5 dB; 通过改变压力槽的周期,实现了谐振波长＞14 nm的调谐范围;带有涂敷层和无涂敷层单模光纤写制的MLPFGs谐振波长的温度灵敏度分别为 0.057 nm/℃,0.086 nm/℃,谐振峰值的温度灵敏度分别为 0.230 dB/℃,0.312 dB/℃.该写制结构能较好地控制MLPFGs的透射谱,同时结构简单、易擦除、成本低,在光纤传感领域具有一定的应用价值.     

Small diameter fiber Bragg gratings and applications

Small diameter optical fibers are preferred in sensing systems as they have less influence on mechanical performance of smart composite. The static and dynamic monitoring capabilities of the small-diameter fiber Bragg gratings (FBG) are experimentally studied in this paper. Firstly, a small-diameter FBG is used as a strain sensor. Secondly, a temperature sensor is fabricated using a specific FBG. Thirdly, a simple sensing system is proposed in order to discriminate temperature at sensing point. Finally, utilization of these small diameter FBGs for vibration monitoring is discussed. The experiments revealed that the central wavelengths of the small-diameter fiber Bragg gratings shift linearly with strain or temperature. The FBG is more sensitive than a thermocouple inside the thermostat. Acquisition and analysis of the dynamic signal indicates that the designed FBG can be used for dynamic signal monitoring.     

Performance characteristics of tilted three-lobe journal bearing configurations

A tilted three-lobe journal bearing is a geometric variation of the usual symmetric three-lobe configuration. This investigation of the performance characteristics of the three-lobe configurations over a wide range of tilt angles shows that, within a specific range of tilt angles, the tilted configurations exhibit superior dynamic performance to the usual symmetric three-lobe bearing.     

倾斜光纤光栅周期对其透射谱的影响

倾斜光纤光栅作为一种特殊结构的光纤光栅,近年来受到了研究人员的广泛关注。基于模式耦合理论,仿真研究了光栅周期对倾斜光纤光栅透射谱的影响规律。研究结果表明,纤芯导模与包层模的波长差和光栅周期之间存在良好的线性关系。利用这一结论可提高倾斜光纤光栅在应变测量中的灵敏度和检测精度,且能够实现单光纤多测量的目的。     

直流切趾对光纤光栅特性的影响

从模耦合方程出发,分析了直流切趾对光纤光栅特性的影响,给出了直流切趾和光栅啁啾之间的关系,提出了用线性直流切趾来实现均匀模板制作啁啾光栅和同一啁啾模板制作不同色散特性光栅的方法。实验上,用均匀模板制作了色散量为-2 126 ps/nm的啁啾光栅,并用同一啁啾模板制作出了色散量为-1 599.362 71 ps/nm、-1 250.4 ps/nm和-2 011.4 ps/nm的光栅。实验结果表明,理论和实验符合较好。     

双矩形光栅衍射特性分析

双光栅系统的衍射一干涉效应非常重要,现从置于透镜前方的任意两个衍射屏出发,推出透镜后焦平面的光强分布可以用两个衍射屏的振幅透射率函数的相关来表示,然后把该结论用于两个完全一样的矩形光栅,得出了双矩形光栅在一些特殊间距时透镜后焦面上的光强分布可以表示为周期不同的三角形光栅透过率。     

差动光纤Bragg光栅压力传感器的研究

由周边固支的圆形平膜片作为传感器的弹性元件,膜片两侧的压力差使膜片产生挠度.两个相同特性的光纤Bragg光栅分别粘贴在平膜片的径向和切向上,构成差动压力传感器,解决了光纤Bragg光栅的温度应变交叉敏感问题.如果气压过大,膜片产生大挠度现象时,必须考虑平膜片的中面的拉伸,测量系统可以自动修正平膜片的挠度方程.实验结果表明,系统压力测量线性度为0.2(%F·S),重复性为0.1(%F·S),分辨率为5×10-4MPa.