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。     

LPFG和FBG级联结构双参数光纤传感器研究

提出了一种长周期光纤光栅(LPFG)级联布拉格光纤光栅(FBG)的温度/应变双参数光纤传感器。利用飞秒激光直写制作LPFG并级连FBG,且FBG波谷位置为1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 559.1 nm,最高对比度为-12.7 d B。在30~70℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对0~500με应变变化范围内对传感器应变特性进行测试。实验结果表明,升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度15.00 pm/℃,线性度0.981 3;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-11.75 pm/℃,线性度0.945 3。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度18.25 pm/℃,线性度0.953 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-15.42 pm/℃,线性度0.980 2。加载过程FBG中心波长发生红移,灵敏度0.93 pm/με,线性度0.991 5;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.986 3。卸载过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度0.92 pm/με,线性度0.990 9;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.972 8。结果表明,该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现应变和温度的测量。     

两点封装的光纤布拉格加速度传感器设计

提出了一种双半孔梁光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器实现加速度信号测量的方法.首先,建立了两点封装FBG的加速度传感模型,理论分析了加速度与位移敏感点的线性响应.其次,从理论上分析了两点封装方案中FBG的自振特性,讨论了封装光纤的长度和预应力对光纤自振频率的影响.最后,依据FBG的自振特性设计了FBG加速度传感器,并通过实验研究了FBG加速度传感器的线性响应和幅频响应特性.实验结果表明:提出的传感器在10～250 Hz具有较好的平坦区,加速度响应灵敏度为41.2pm/G;加速度与波长具有较好的线性关系,线性度为99.8％.同时,该加速度传感器具有较强的方向抗干扰性,轴向交叉灵敏度小于4.8％.     

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。     

飞秒刻写光纤F P腔级联FBG传感特性研究

提出了一种飞秒刻写光纤法布里-珀罗(F-P)腔级联切趾布拉格光纤光栅(FBG)的微结构传感器并研究了该传感器的温度与应变传感特性。该微结构传感器光谱稳定性良好,监测时长2 h内FBG波长最大漂移量为0.009 nm,功率最大漂移量为0.015 d B,F-P腔波长最大漂移量为0.018 nm,功率最大漂移量为0.072 d B。当应变由0με增至450με再减回0με时,该微传感器FBG特征峰先右移再左移,波长变化0.530 4 nm,应变灵敏度约1.17 pm/με,线性度高于0.99;光纤F-P腔特征谷波长变化0.491 1 nm,应变灵敏度约1.10 pm/με,线性度高于0.90。当温度由50℃升至200℃再降回50℃时,FBG特征峰先右移再左移,波长变化约1.418 nm,应变灵敏度约10.09 pm/℃,线性度高于0.95;光纤F-P腔特征谷波长变化约1.578 nm,应变灵敏度约10.53 pm/℃,线性度高于0.98。所提出的微结构传感器是解决单根光纤双参数测量的有效手段,同时对复杂环境下的多参数耦合测量与解耦也具有重要的参考价值。     

光纤Bragg光栅温度和应变传感特性的试验研究

在光纤Bragg光栅传感原理的理论分析基础上,采用保温装置和等强梁结构对其温度和应变传感特性进行了试验研究,并做了试验结果的误差分析.其结果表明光纤光栅的Bragg波长随温度和轴向应变的变化呈现出良好的线性关系,且重复性较好.试验测得的温度灵敏系数升温时约为9.54 pm/℃,降温时约为9.53 pm/℃,理论计算值约为9.72 pm/℃;应变灵敏系数加载时约为1.006 pm/με,卸载时约为1.005 pm/με,理论计算值约为1.011 pm/℃;其试验值与理论计算值吻合得很好.同时介绍了一种简单实用的温度补偿技术,得出了考虑温度补偿后的实际应变与光栅波长的关系式,并采用焊接应力在线监测试验对其温度和应变传感特性的标定值进行了验证,为光纤Bragg光栅在铝合金工程结构中进行温度和应变监测提供了理论依据和试验数据,对光纤Bragg光栅传感测量的工程应用具有借鉴作用和重要意义.     

浮空器柔性复合蒙皮变形光纤光栅传感方法

针对浮空器气囊蒙皮变形的实时监测需求,提出了基于光纤光栅（fiber Bragg grating, 简称FBG）的柔性复合蒙皮变形传感方法。根据蒙皮材料的多层结构特点及光纤光栅传感原理,设计了“光纤光栅?粘贴层?基体”的柔性蒙皮传感结构。通过对传感结构进行理论分析,得知平均应变传递效率随粘贴层剪切模量增加而增大。实验采用GD414和DP420两种不同剪切模量的粘接剂将光纤传感器粘接在柔性蒙皮表面,建立了传感解调实验系统。分析了浮空器柔性复合蒙皮变形光纤光栅传感器灵敏度及重复性,研究了两种不同胶接剂封装下光纤光栅中心波长随曲率变化的关系,结果显示剪切模量较大的DP420胶接剂封装的FBG具有良好的线性度和重复性,其灵敏度可达145.4 pm/m-1。对浮空器柔性复合蒙皮变形进行重构分析,验证了传感方法的可行性。研究结果表明,光纤光栅传感器可用于柔性复合蒙皮变形监测,在浮空器气囊蒙皮形态监测中具有广阔的应用前景。     

基于层状PI薄膜FBG传感器的KCl浓度测量

为了监测核工业冷却管道中冷却剂的浓度，针对目前测量仪器易受环境干扰、介质沉积、难以分布式多点监测等问题，设计了一种基于层状聚酰亚胺（Polyimide, PI）的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）浓度传感器。结合PI薄膜的吸水特性、水分子扩散原理和FBG传感理论，研究基于层状PI薄膜的FBG浓度传感机理，设计制作了层状PI薄膜FBG浓度传感器。最后，搭建浓度测量实验平台，进行浓度传感实验，得到镀层状PI薄膜的FBG浓度传感器对氯化钾（KCl）溶液的浓度特性曲线，并分析了其灵敏度与滞回特性。实验结果表明：浓度与波长漂移量呈线性变化关系，浓度特性曲线拟合度为0.994 2，正、反行程输出的最大差值为35 pm，传感器的平均灵敏度为157.6 pm/（mol·L-1），是同条件下镀一层环状PI薄膜FBG浓度传感器和腐蚀型FBG浓度传感器灵敏度的7.4倍和49.1倍。该传感器为核工业管道中冷却剂浓度测量提供了新方法，具有高灵敏度、安全、抗电磁干扰等优点。     

具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器

提出了一种基于铽镝铁(TbDyFe)的具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器。传感器由光纤布拉格光栅(FBG),拱形微纳光纤和TbDyFe组成,拱形微纳光纤通过紫外胶(UV glue)粘接在TbDyFe上。与非拱形微纳光纤相比,拱形光纤可将TbDyFe的伸长转化为光纤曲率半径的变化,引起干涉波长偏移,从而实现磁场灵敏度的提高。随着磁场强度升高,拱形微纳光纤的干涉波长蓝移,灵敏度为47.81 pm/mT,FBG对磁场不敏感,拱形微纳光纤传感器的磁场灵敏度比非拱形高11.66倍。升温过程中拱形微纳光纤的干涉波长发生蓝移,温度灵敏度为43.02 pm/℃,FBG的干涉波长发生红移,温度灵敏度为9.34 pm/℃。磁场传感器显示出良好的重复性和线性,级联的FBG对磁场不敏感,可以实现对磁场传感器的温度补偿。     

基于啁啾光栅的温度与应变测量解耦方法研究

实际环境中光纤光栅存在对应变与温度测量交叉敏感问题,提出了利用啁啾光纤光栅(CFBG)进行双参数同时测量的方法。通过将CFBG胶封于等强度梁上,利用CFBG反射谱的中心波长与带宽对温度与应变的灵敏度差异,组成系数解耦矩阵,实现对应变与温度的同时测量。室温下,CFBG的中心波长与带宽随应变变化的灵敏度分别为0. 79、1. 38 pm/με,线性度为0. 998 8、0. 999 3;在-20～60℃温度范围内,CFBG的中心波长与带宽随温度变化的灵敏度分别为22. 74、23. 97 pm/℃,线性度为0. 999 8、0. 997 0,表明使用单个CFBG可以实现同时测量应变与温度。     

镀金属膜长周期光纤光栅的传感特性

本文基于耦合模理论, 建立了严格的四层金属膜理论模型, 探讨了镀金属膜长周期光纤光栅(Long-period fiber grating, LPFG)的温度、 应变及折射率特性, 以及镀膜参数对镀金属膜长周期光纤光栅光谱特性的影响.仿真结果表明, 长周期光纤光栅表面最优的金属膜厚度将引起表现等离子共振(Surface-plasmon resonance, SPR)特性, 这一特性将使得LPFG 对稳定及折射率都有较高的敏感性, 而对应变影响较小. 理论分析表明, 银膜厚度在0.8-1.2 nm 范围内时, 折射率敏感度达到最大值为42.402 6, 敏感度增加4.5%. 仿真结果为镀膜长周期光纤光栅的设计及参数优化提供了理论指导.     

基于转动支承梁式的光纤光栅低频加速度传感器

为了实现低频振动的高灵敏度测量,设计了一种基于转动支撑梁的新型光纤布拉格光栅加速度计。 通过分析其振动 模型和 MATLAB 数值计算,优化了传感器的结构参数,设计传感器理论灵敏度为 1 725 pm / g,固有频率为 68. 4 Hz。 同时通 过 COMSOL 模拟分析传感器的动态特性,其模拟结果与理论分析吻合。 频响特性和幅值特性实验结果表明光纤光栅加速度 计在加速度 0 ~ 2 g、工作频率 0. 5 ~ 20 Hz 的范围内,传感器加速度特性曲线呈现良好线性关系,灵敏度高达 1 495. 2 pm / g,重 复性良好。 该传感器结构简单紧凑,轴承结构有效减少悬臂梁振动过程中的弹性能耗,可显著提高其灵敏度,能够实现低频 振动信号的探测。     

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。     

波登管式光纤布拉格光栅压强传感器

基于光纤布拉格光栅传感模型，提出了一种悬臂梁与波登管相结合的光纤光栅压强传感器的组合设计，推导了光纤布拉格光栅中心波长偏移量与压强之间的解析关系式。理论和实验结果表明，压强调谐光纤布拉格波长的灵敏度系数的理论值与实验值分别为0．2246nm／MPa、0．2218nm／MPa，在0～6MPa测压范围内，调谐范围为1．35n／n．     

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。     

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.     

刻纹光纤传感器在温度测量中的应用

介绍一种新型的金属敷层刻纹光纤温度传感器，对其测温原理进行了研究。实验结果表明：该传感器的特性由结构参数和金属敷层材料种类所决定，其温度响应是线性的，具有较好的重复性，无迟滞现象和较高的温度响应灵敏度。     

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。     

Mini review: Recent advances in long period fiber grating biological and chemical sensors

As an important member of the optical fiber sensor family, long period fiber gratings (LPFG) have attracted increased attention due to their outstanding characteristics. The LPFG is a transmission fiber grating without backward reflection, and isolation is not required in the sensing system. The resonant wavelength and transmissivity of LPFGs are very sensitive to changes in refractive index, temperature, strain and transverse load, so they are widely used. In this article, recent advances in biological and chemical applications of LPFG sensors are described. Various methods for improving the sensitivity of LPFG sensors are summarized, such as reducing the diameter of the cladding and cascading. In addition, an important method involves the coating of the LPFG sensor with a specific recognition element for biomass detection or a sensitive metal film for chemical detection. The structural parameters and principles in the literature are discussed in detail. This article analyzes and compares the progress and deficiencies in the detection process and anticipates future developments.     

Intensity detection scheme of sensors based on the modal interference effect of few mode fiber

The transmission spectrum and power of the few mode fiber (FMF) under different strain/temperature are studied theoretically and experimentally. Significant shift of the critical wavelength of FMF can be produced when the measurement range is large. An intensity detection scheme with broadband source is proposed to overcome the problem encountered by the traditional measurement methods such as peaks shifts detection and transmission detection at a fixed single wavelength. And the scheme show larger dynamic range and larger linear operating range when the length of FMF is shorter, which can make the sensor more compact. The experimental result agrees well with the theoretical calculation.