一种新型的光纤光栅高频加速度传感器

提出了一种新型的高频响应光纤光栅加速度传感器,并进行了理论分析和实验研究.传感器由钢管、质量块组成弹性系统.将光纤光栅粘贴于钢管内部来感知应变,利用双光纤光栅匹配滤波解调技术,直接输出光强度信号,取得了谐振频率3 232 Hz、线性测量范围0.1-4 g、线性灵敏度669 mV/g的较好结果.     

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。     

双头管封装光纤Bragg光栅低温传感试验研究

提出并设计了一种用于低温环境下测量温度的光纤布拉格光栅(FBG)双头管式封装结构,探究了涂覆层材料和封装形式对光纤Bragg光栅传感器低温传感稳定性和精度的影响。同时,试验研究了封装长度对双头管式传感器中心波长与温度的关系,通过多次重复试验测定了传感器低温灵敏度和重复性误差。研究结果表明：由于高折丙烯酸酯涂覆层具有较高的热膨胀系数,因此在77～273 K液氮环境中其增敏效果相对于聚酰亚胺和裸光纤更为显著;采用双头管封装后,FBG中心波长与温度具有高度线性关系,且能有效解决无封装裸FBG易受荷载扰动特性;适当提高封装长度有利于提高封装体系灵敏度系数。重复试验结果表明,所设计的双头管式封装FBG低温传感器灵敏度可达14～20 pm/K,测试误差和灵敏度优于传统FBG低温传感器。     

FBG传感器应变标定方法

为了提高光纤光栅应变传感器测量精度,针对光纤光栅传感器工程应用情况,提出了一种光纤布拉格光栅(fiber bragg grating,简称FBG)传感器应变特性标定方法。通过理论分析和实验标定了封装式光纤光栅应变传感器的灵敏度系数,对传感器理论与实验灵敏度系数误差进行了分析。实验结果表明,该方法简单、易行,用于光纤光栅传感器使用前的标定,可以提高基于光栅光栅传感器的测量精度和准确性。同时,该方法为光纤光栅传感器的工程推广应用奠定了基础。     

管式封装FBG大量程温度传感器及其特性研究

针对工程温度测量问题,提出了一种光纤光栅温度传感器的管式封装方法。利用耐高温AB胶将裸光栅粘贴于铜管内壁,实现增敏效果。首先简述了光纤光栅温度传感原理及其增敏模型,然后搭建了相应的温度实验平台,并且实验研究了铜管封装FBG温度传感器与裸光栅的温度感知特性。实验结果表明:在-40℃~120℃的区间范围内,铜管封装FBG温度传感器的灵敏度达到25 pm/℃左右,与理论值相符,且相较于裸光栅具有更高的灵敏度与线性度。该温度传感器具有良好的温度感知特性,可以应用于工程温度的检测。     

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。     

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。     

一步超声法金属化封装FBG的传感特性

为解决传统胶封传感器普遍存在的蠕变、老化问题,本文提出基于一步超声法的光纤光栅表面金属化封装方法。在相同条件下分别对有聚酰亚胺涂覆层和无涂层的两种FBG进行金属化封装,研究了封装后FBG传感器的光谱、热学和力学特性,并利用扫描电子显微镜对其横截面的微观形貌进行了表征。结果表明:封装后有涂覆层FBG的反射光谱无明显畸变、边模抑制比大于10 dB,温度灵敏系数达34.63 pm/℃,应变灵敏系数为1.18 pm/με,应变传递效率达98.5%,线性度达0.999,均优于无涂层的FBG传感器。当温度从14.2℃突变到80℃经过多次冲击试验,发现金属化封装无涂层的FBG的温度增敏结构被破坏,而有涂层的FBG传感器仍保持优异的温度响应特性。SEM图显示,金属合金与有无涂覆层的光纤和金属基底都结合致密。该方法无需对光纤进行表面金属化预处理,操作简单易行,在恶劣环境、超长服役时间的光纤传感应用领域中具有重要的价值。     

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。     

灵敏度系数可调布拉格光栅应变传感器的设计

针对裸光纤布拉格光栅应变监测量程或精度有限的问题,提出了一种灵敏度系数可调光纤布拉格光栅应变传感器的设计方法。理论和实验研究了该方法在增大光纤布拉格光栅应变监测量程或提高精度方面的性能,并以此研制了基片表面粘贴式和FRP封装式两种封装结构的灵敏度系数可调应变传感器。理论分析并实验标定了传感器的灵敏度系数。最后,对传感器理论和实验灵敏度系数误差进行了分析,指出了改进的方向。实验结果表明:两种封装结构的大量程传感器的量程分别增加了243%和126%,高精度传感器的精度提高至0.51με和0.52με。传感器标定实验表明,两种封装结构的传感器都有很好的线性度和重复性,相关系数达到0.999以上。     

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。     

基于弓形梁增敏结构的FBG振动传感器研究

利用光纤光栅(FBG)随弓形梁弯曲变形的敏感特性,通过设计特制的增敏结构,研制了一种基于弯曲特性的FBG振动传感器.根据ANSYS数值分析和实验结果表明,在加速度0～5g、工作频率0～40 Hz范围内,传感器加速度特性曲线呈现良好对应关系,灵敏度可达458.1 pm/g,精度约0.002 g.该传感器系统采用双光栅形式实现了温度补偿,且在所测加速度范围内显示出较好的灵敏度和重复性,频响误差小,能够满足航空结构振动监测与控制需求.     

基于柔性盘技术的光纤加速度计研究

研究了一种利用惯性力测量加速度的全光纤加速度计,并分析推导出加速度变化对柔性盘应变的响应公式。在较宽的工作频谱范围(0～5kHz)内,实验结果与理论推导结果具有较好的一致性。这种光纤加速度计具有灵敏度高,质量轻的优点,采用相位跟踪零差检测技术可以实现加速度信号的高精度检测。     

基于桥梁结构的FBG传感器温度与应变交叉敏感问题的研究

对光纤布拉格光栅(FBG)传感器在桥梁结构健康监测中产生的温度与应变交叉敏感问题进行了研究。采用参考光纤光栅法在应变传感光纤光栅附近额外加入一个温度测量光纤光栅,对应变光栅实现温度补偿功能。设计了基于参考光纤光栅法的FBG传感器及FBG传感器封装的机械结构,并通过实验来验证FBG传感器的性能。实验数据表明,温度传感光纤光栅几乎不受应变的影响,应变传感光栅的中心波长变化与温度变化呈一阶线性关系,修正后的测量结果更加精确,达到了双参数同时测量的目的,应变与布拉格波长的线性关系非常好,相关系数达到0.99以上。参考光纤光栅法能够很好地解决FBG传感器温度与应变交叉敏感的问题。     

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。     

一种光纤光栅非接触机械振动传感器的研究

基于光纤Bragg光栅（fiber Bragg grating,FBG)传感技术,提出了一种基于永磁结构的FBG非接触机械振动位移测量方法,设计了永磁作用下FBG振动传感器的结构,采用ANSYS有限元软件进行了理论分析和数值仿真,制造了FBG传感器实验装置,进行了静态位移标定和动态测试实验,确定了传感器的线性区间。研究结果表明:该测量方法能满足相关振动检测要求,传感器线性区间内灵敏度为1.14μm, 线性度可达0.996,完全可应用于机械系统结构损伤和运行状态分布式动态监测。     

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%。     

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。     

一种新型差动式压电加速度传感器

设计了一种新型的差动式压电加速度传感器。介绍了传感器的结构和工作原理,推导了传感器的数学模型,并分析了传感器惯性质量块和压电元件的质量对其输出特性的影响。然后,分析了传感器处理电路的结构,推导了该电路的设计指标。实验结果表明,该传感器采用单个惯性质量块实现了对加速度信号的差动式测量,其结构简单、重量轻、易于加工制造、抗干扰能力强;线性度为0.1%,是普通加速度计的1/2;频率响应误差为1%;重复性为1.27%;测量灵敏度是普通加速度计的2倍,基本达到了设计的目的。     

化学镀Ni-P光纤布拉格光栅的均匀轴向拉力响应

研究了化学镀Ni-P涂敷后光纤布拉格光栅(ENFBG)的均匀轴向拉力响应特性.利用其轴对称特性,分析了光栅的应力及应变状态;采用有限元方法数值分析了光栅应变,并实验验证了数值分析结果.数值分析表明:处于纤芯处的光栅被均匀拉伸,剪应变远小于正应变,可忽略;正应变与轴向拉力成正比,ENFBG中心波长的变化正比于均匀轴向拉力变化;但由于化学镀层与光纤力学特性的差异,镀层对FBG轴向均匀拉力响应起去敏作用.当化学镀层厚度为7.25μm时,ENFBG的均匀轴向拉力实测灵敏度为12.45 pm/MPa,相关系数为0.999 6,理论计算值为12,744 pm/MPa,但随着镀层厚度的增加,灵敏度呈下降趋势.镀层在为FBG提供良好保护的同时,ENFBG中心波长对于轴向拉力保持线性响应.实验显示ENFBG是性能良好的轴向拉力传感器.