光纤光栅温度传感器的重复性实验研究

为了研究相同封装条件下光纤光栅温度传感器的重复性,根据光纤光栅温度传感模型,从理论上研究了反射波长与温度的关系,通过对相同封装的6个器件进行多次升温降温循环实验,在试验的基础上得出了反射波长漂移量与温度的关系。对理论与试验结果对比分析,得到了满意的结果:布拉格反射光中心波长变化与温度变化有良好的线性关系,光纤光栅传感器有良好的重复性与一致性。     

一种新型光纤光栅温度补偿装置

光纤布拉格光栅(FBG)中心反射波长随温度变化会发生漂移,影响光纤激光器输出波长的稳定性和光纤光栅传感器精度.为消除光纤光栅中心波长温漂特性,设计了一种新型光纤光栅温度补偿装置,详细阐述了其工作原理,并理论推导了点胶位置的计算公式.这种新结构易调整光纤光栅粘结位置,从而可调整光纤光栅温度补偿有效长度.为验证结构设计和理论分析的正确性,搭建了实验系统,并对封装前后光纤光栅中心反射波长温度漂移率进行了测试.测试结果表明,在-30～70℃温度范围内,封装前光纤光栅中心反射波长的温度漂移率为0.0095 nm/℃,封装后中心反射波长温度漂移率仅为0.0002 nm/℃,温度稳定性提高了约40倍.     

取样光纤光栅温度特性及其温度补偿封装

用长周期振幅掩模板(周期为500μm)和相位掩模板(周期为1.0739μm),采用曝光法制作出了1.5cm长的取样光纤光栅。测试了光纤光栅的温度特性,发现光纤光栅的反射波长随温度的升高向长波方向漂移,三个主峰波长随温度的变化规律是相同的,波长与温度有良好的线性关系,温度变化并不会引起通道间隔的变化,温度漂移系数约为0.01nm/℃。采用与Bragg光纤光栅相同的负温度系数的衬底材料来补偿中心波长随温度的漂移,封装后的取样光纤光栅的温度系数达到0.004nm/℃。     

长周期光纤光栅液体温度传感特性研究

从长周期光纤光栅温度传感特性的基本原理入手,分析了长周期光纤光栅在液体环境中的温度传感特性,并对其在液体溶液中和空气中的温度特性进行了对比实验研究。实验结果表明,长周期光纤光栅在液体中的温度特性与在空气中的一致,均随着温度的升高,谐振波长向长波长方向漂移,温度降低时,谐振波长向短波长方向漂移,且基本成线性关系。在30℃到90℃范围内,液体环境温度灵敏度约为0.079nm/℃,损耗峰幅值波动不超过2.3dB。     

基于FBG的CH4浓度传感系统

提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的新型CH4浓度传感方案.利用CH4催化元件将CH4浓度信息转化为温度信息,并映射为FBG反射波长的漂移量.将自制的FBG封装成CH4传感器,并实验获得了FBG反射波长漂移量与环境CH4浓度的曲线.验证了采用传感FBG和参考FBG的斜边检测方案可提高系统检测分辨率和温度稳定性.     

免受温度影响的光纤光栅线性扭转传感器

设计了一种新颖的组合式扭梁传感结构 ,利用外直径相等的实心梁与空心梁界线两侧应变分布的差异 ,将一定长度的光纤光栅沿与轴向呈一定角度刚性粘贴于界线的表面 ,通过测量界线两侧光纤光栅反射波长的差值 ,首次实现了免受温度影响的光纤光栅扭转传感测量。理论分析和实验结果证明 ,该传感装置能够自动消除扭转传感与温度的交叉敏感效应 ,界线两侧光纤光栅反射 (或透射 )波长漂移的差值对扭角、扭矩及扭力 (力臂一定时 )均呈线性关系 ,与温度变化无关。在± 4 0°扭角范围内 ,扭角、扭矩的传感灵敏度分别达到 0 0 92nm degree ,2 0 76nm Nm。     

光纤光栅传感系统无源时域解调技术

基于光纤光栅匹配滤波技术．提出一种传感信号无源时域解调方案。该方案利用解调光栅受压电陶瓷驱动,对传感光栅反射光波进行波长扫描的原理,将传感光栅布拉格反射波长的漂移变为解调光栅透过的负脉冲在时域中间隔的变化。实验证明,该传感系统的传感分辨率为8．9μ;传感灵敏度的实验值为11．2μs／p,与理论值11．7μs／μ基本吻合。     

基于匹配光栅对的传感解调装置

提出并实验了一种新颖的匹配光栅对解调方案，受压电陶瓷驱动，解调光栅对传感光栅反射光波进行波长扫描，将传感光栅布拉格反射波长的漂移变为解调光栅透过的负脉冲在时域中间隔的变化进而确定待测应变量的大小。系统传感灵敏度的实验值为94．417με／ms，具有-100～700με的传感测量范围。     

长周期光纤光栅单损耗峰实现轴向应变和温度双参量

由于长周期光纤光栅进行传感时存在温度交叉敏感的问题,因此,提出了一种长周期光纤光栅单损耗峰实现温度与轴向应变双参量同时传感的方案。实验制备长周期光纤光栅并分析光栅损耗峰随温度和轴向应变变化的特性：温度导致光栅中心波长漂移,温度灵敏度为90 pm/℃,但是对强度几乎没有影响;轴向应变主要影响光栅的强度,轴向应变灵敏度为12 dB/mε,对中心波长影响较小。实验结果表明,利用长周期光纤光栅单损耗峰从波长漂移和强度变化两个维度进行分析,可以实现温度、轴向应变的双参量同时传感。该方案结构简单,迟滞、重复特性好,具有一定的实际应用价值。     

长周期光纤光栅的一种温度补偿方法

研究了长周期光纤光栅的温度和应变特性,发现其透射中心波长随温度升高向长波方向漂移,随应变增大向短波方向漂移。根据这一特点,采用有机玻璃材料封装这一简单而有效的方法来补偿长周期光纤光栅中心波长随温度的漂移,补偿后的温度漂移系数减小到仅为3.7 pm/℃,有效地抑制了温度变化对中心波长漂移的影响,大大提高了用长周期光纤光栅测量液体折射率等物理量的精确度。     

光纤光栅反射波长移动研究

提出并实验了一种探测光纤光栅波长移动的新方法。该方法用一组与各个传感光纤光栅的参数对应相同的光纤光栅作为滤波元件,用抖动倍频的方法跟踪传感光纤光栅的反射光谱的峰值点,同时采用高分辨率的光栅尺作为系统的读出设备,彻底消除了压电陶瓷的非线性性及滞后性带来的误差,从而得到高精度的测量结果。     

光纤光栅反射波长移动研究

提出并实验了一种探测光纤光栅波长移动的新方法.该方法用一组与各个传感光纤光栅的参数对应相同的光纤光栅作为滤波元件,用抖动倍频的方法跟踪传感光纤光栅的反射光谱的峰值点,同时采用高分辨率的光栅尺作为系统的读出设备,彻底消除了压电陶瓷的非线性性及滞后性带来的误差,从而得到高精度的测量结果.     

多波长啁啾光纤光栅叠栅的数值分析和设计

为了研究多波长啁啾光纤光栅叠栅的反射和时延特性,提出多波长啁啾光纤光栅叠栅的耦合模理论方法,得到波长间隔Δλ=1.6nm的4波长和8波长的啁啾叠栅的反射谱和时延特性的数值分析结果,并设计了波长间隔Δλ=0.4nm的8波长的啁啾叠栅,数值分析结果与实验结果非常一致.结果表明,多波长啁啾光纤光栅叠栅的耦合模理论是可靠的,可用来分析其各种特性,此方法对多波长啁啾叠栅的设计和制作具有重要的参考价值.     

基于双光纤布拉格光栅的流速传感器

设计了一种基于双光纤布拉格光栅的新型流速传感器,它包括双光纤光栅压强传感机构和文丘里管.导出了双光纤布拉格光栅的波长漂移差与流速的关系.压强传感机构中的密闭铝箔管横截面两边的压力差导致等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布拉格光栅的布拉格波长漂移.通过检测两个布拉格光栅的波长漂移差,得到被测流体的流速.双光纤布拉格光栅通过补偿温度效应,解决了光纤布拉格光栅传感器的交叉敏感问题.该流速传感器的动态测量范围为8～200mm/s.实验表明,双光纤布拉格光栅的中心波长随流速的增加分别向长波和短波方向漂移,而带宽几乎不变,实验和理论符合得较好,该设计方案是切实可行的.

Abstract：

By using the fiber grating pressure sensing setup and Venturi tube,a novel flow velocity sensor based on double fiber Bragg gratings (FBGs) is proposed.The relationship between the flow velocity and the wavelength shift difference is derived.The pressure difference of the two sides of the cross section of the aluminum foil tube in the pressure sensing setup results in the distortion of an isosceles triangle cantilever structure.And the distortion results in the Bragg wavelength shift of the FBGs mounted at either side of the cantilever.By monitoring the wavelength shift difference of the two FBGs,the flow velocity can be obtained.The cross sensitive problem can be solved by compensating the temperature effect.Experimental results are in good agreement with theoretical analysis.The central wavelength of two FBGs shifts to the shorter and longer wavelength respectively with the rise of the flow velocity,while the bandwidth is almost unchanged.The experimental results verify the feasibility of the proposed sensor with a measurement range of 8~200 mm/s.     

温度及应力变化对光纤光栅布喇格波长的影响

着重讨论温度对光纤光栅的稳定性和反射谱的影响。分析了温度变化引起光纤光栅布喇格波长漂移的机理,为提高光纤光栅稳定性,对布喇格波长的温度漂移进行应变补偿。     

级联光栅硅胶封装的脉象传感器研究

提出了一种基于级联光栅的脉象波传感器。相同参数的两个光纤光栅组成级联光栅并植入硅胶腕带中,其中一个光栅作为传感光栅被用于感知脉搏信号,另一个光栅作为匹配光栅被用于解调。由于两个光栅参数完全相同,其反射峰重叠,传感器反射光谱表现为单个反射峰。脉搏搏动产生的应变变化对传感光栅进行调制,导致传感光栅反射峰的中心波长产生偏移,进而导致传感器反射光的强度变化。通过对反射光的强度进行监测,即实现了脉象信息的测量和提取。实验中分别测试了健康男性青年和老年受试者,以及同一个健康男性受试者上午8时和下午8时的脉象信息。结果显示,传感器可有效提取不同受试者的脉象特征点,测试结果符合中医脉象理论。当环境温度变化时,级联光栅中两个光栅的反射峰以相同速率向同一方向偏移,传感器反射光谱的强度不变,因此该传感器不受环境温度影响。此外,该传感器具有结构简单、解调方便、成本较低等优点,在脉象测试中具有一定的应用潜力。     

A Novel Temperature-Compensated,IntensityModulated Fiber Bragg Grating Sensor System

An intensity-modulated, fiber Bragg grating (FBG) sensor system based on radio-frequency (RF) signal measurement is presented. The RF signal is generated at a photodetector by two modulated optical signals reflected from the sensing FBG and a reference one. Bragg wavelength shift of the sensing FBG changes intensity of the RF signal by changing phase difference between the two optical signals, with temperature effect being compensated automatically by the reference FBG. Strain measurement with a maximum sensitivity of -0.34 V/ has been achieved.     

Linear edge and temperature characteristic of tilted fiber Bragg gratings cladding-mode envelope

In this paper, a system of linear edge filter demodulation based on weakly tilted fiber Bragg gratings in fiber sensor was proposed. The linear edge of the cladding-mode envelope and temperature characteristic between cladding modes and core mode of tilted fiber Bragg grating (TFBG) were experimentally investigated. The results show that falling edge (1505–1535 nm) and rising edge (1545–1565 nm) of the cladding-mode envelope is approximately linear and can be used as an edge filter. Moreover, the temperature characteristics of the core mode and cladding modes are similar to FBG’s. It can dynamically compensate the temperature induced wavelength shift of the FBG and the effect of temperature on the demodulated sensing signals is minimized. The advantages of this simple system are an all-fiber design, quasi static and dynamic operation, high stability and lower cost.     

A Novel Temperature-Compensated, Intensity-Modulated Fiber Bragg Grating Sensor System

An intensity-modulated, fiber Bragg grating （FBG） sensor system based on radio-frequency （RF） signal measurement is presented. The RF signal is generated at a photodetector by two modulated optical signals reflected from the sensing FBG and a reference one. Bragg wavelength shift of the sensing FBG changes intensity of the RF signal by changing phase difference between the two optical signals, with temperature effect being compensated automatically by the reference FBG, Strain measurement with a maximum sensitivity of -0.34 μV/με has been achieved.