一种FBG靶式流量传感的结构设计及实验研究

针对传统液压系统检测中存在的传感器体积较大、测量精度不高等问题,设计了一种基于光纤Bragg光栅(FBG)的一体式靶式流量传感器。在分析FBG及靶式流量传感原理的基础上,设计一种结构紧凑、便于密封和拆装的一体式靶片,将置于流体中迎流靶片所受的与流速成对应关系的冲击力转化成FBG波长的漂移,双FBG对称粘贴于悬臂梁上下表面的中轴线上,在提高传感灵敏度的同时,有效解决了温度与应变的交叉敏感问题。通过砝码干校实验测得传感器的灵敏度为3.55pm/g,其对应的流量灵敏度为0.076L/s。实验结果表明,双FBG中心波长的变化总量与加载在靶片上的质量有良好的线性关系,灵敏度是单个FBG灵敏度的2倍,且几乎不受环境温度的影响,稳定性、可靠性较好。     

应用于注水井的靶式光纤布喇格光栅流量传感器

为了解决注水井下安装和维护传感器难度大和成本高的问题,设计和理论分析了一种基于杠杆-铰链结构的靶式光纤布喇格光栅（FBG）流量传感器,将传感器结构中的FBG1和FBG3分别粘贴在杠杆-铰链两端构成差动结构,使传感器具有低启动与大量程特性;通过温度补偿光栅FBG2实现了温度和流量的同时测量。对传感器的结构进行了仿真与优化,得出传感器的优化参数,并以此参数为基础进行流量测量、重复性、温度测量、温度补偿、稳定性等实验。实验结果表明,该传感器可以同时测量流体流量和温度,其温度灵敏度为17.94 pm/℃,流量分辨率为0.039 L/s。     

新型FBG渗压传感器在隧道涌水模型中的应用

结合波纹膜片的压力敏感特性和光纤Bragg光栅(FBG)的应变传感特性,设计了一种新型的FBG渗压传感器。传感器通过拉杆式结构将波纹膜片在应力下的挠度变形转化为FBG的轴向应变,通过恒温条件下的压强标定试验,得出传感器的压强灵敏度约为20 nm/MPa,和普通光栅相比,其压强灵敏度提高了6 000多倍。对传感器探头内部的光栅进行了温度特性标定试验,通过温度补偿光栅消除外界温度对渗压测量结果的影响。将该传感器用于隧道涌水模型的开挖试验,测得模型注水过程中测点的渗压值不断增大并趋于稳定,隧道开挖过程中渗压值轻微波动,提升水位时渗压值急剧增大。     

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为提高微小流量检测的灵敏度,增大其动态范围,提出了一种基于Lamb波的压差式微流量测试方法.采用双Lamb波压力传感器分别测量微通道两端的压力,通过压力差、微通道的几何尺寸及流动特性计算出流量.结果表明,以Lamb波为探测媒介,采用薄膜内应力敏感方式和频率计量方法,提高了传感器灵敏度、动态范围和测量精度;采用双Lamb波压力传感器不仅克服了背压对传感器精度的影响,同时消除了温度变化对测量结果带来的误差.     

基于进口膜片的光纤光栅压力传感器的研究

分析了光纤布喇格光栅(FBG)的压力传感特性,给出了FBG的中心波长与压力的关系以及压力灵敏度系数的表达式,并将FBG纵向粘贴在富士公司生产型号为FBC 20WB2的膜片上进行了压力实验。实验结果表明粘贴在FBC 20WB2型膜片上的FBG压力传感器的灵敏度系数为0.376 nm/MPa左右,其测量精度在满量程范围内为1%,而理论的压力灵敏度系数为0.385 nm/MPa。同时发现粘贴在该膜片上的FBG压力传感器的中心波长与压力变化有着良好的线性关系和很高的相关系数并且迟滞现象较小,说明基于该膜片的FBG压力传感器非常适合于压力测量。     

光纤布拉格光栅压力传感器的研究

文章介绍一种光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器,将FBG粘贴在自行设计的开口环有机玻璃上,构成了FBG传感器,给出了FBG的波长偏移量与压力的关系表达式.实验结果表明, 该传感器在所测压力范围内呈现出很好的线性特性, FBG压力灵敏度系数达到0.162 nm/N,与理论分析值基本相符.     

基于靶式和悬臂梁的FBG流量/温度同时测量研究

提出一种基于靶式结构和悬臂梁结合的新型流量/温度同时测量的光纤Bragg光栅(FBG)传感器。当流体流过传感器,流速的变化引起圆形靶产生应变,应变传递到等强度悬臂梁1上,进而引起粘贴其上的FBG1波长发生改变,而粘贴在悬臂梁2上的FBG2波长不发生改变;流体温度发生变化会引起FBG1、FBG2波长同时发生改变,且波长改变相同;通过测量两光栅的波长,得到流体的流量和温度。在水和蓖麻油实验得到:传感器的流量测量范围分别是400～2200cm3/s和700～1800cm3/s,温度测量范围是0～100℃。     

一种基于高衰减光纤的光纤光栅热线式流量计

为了发展全光学流量测量技术,提出了一种基于掺钴高衰减光纤的光纤光栅热线式流量计。通过解调光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)中心波长进行流量测量,具体包括传感器制作、温度传感特性测定和流量测量实验。结果表明,基于衰减系数为8.9 dB/cm、工作波长约为1480 nm的掺钴光纤的FBG具有10.3 pm/℃的温度灵敏度;流量计在400～3700 L/h液体流量范围内可高重复性地实现测量;流量--FBG中心波长遵循特定非线性函数计算模型;流量计的平均灵敏度约为0.15 pm/(L·h^-1),低流速下灵敏度最高可达到1 pm/(L·h^-1)。所提出的流量计丰富了光纤光栅用于液体流量测量的研究。设计中采用了掺钴高衰减光纤自发热和单端毛细管封装,为流量传感器的全光学化、微型化和高灵敏度发展提供了新思路。     

光纤布拉格光栅热式流量传感技术研究

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)热式流量传感技术具有测量阈值低、灵敏度高等优点,是近年来流量测量领域的研究热点。概述了FBG热式流量传感原理,总结了当前该技术研究的重点和难点问题(主要分为传感器加热、结构设计、温度补偿和封装增敏四个方面),旨在发现问题、展望未来。从近年来的典型研究成果入手,分析了电加热、光加热两种传感器加热方式和热线式传感结构。温度补偿和封装增敏部分则作为专题来研究,其中温度补偿旨在解决传感器加热换热与环境温度交叉敏感问题。最后归纳分析了该技术在大流量时的低灵敏度特性,并讨论了提升传感器灵敏度未来可能的研究方向和相关方法。     

基于双光纤光栅温度压力同时区分测量的研究

提出了一种基于薄壁圆柱壳体的压力温度同时区分测量的光纤Bragg光栅(FBG)传感器结构。将双FBG沿着轴向分别粘贴在壁厚度不均匀的柱体外表面,由于两个FBG受到温度影响而引起的波长漂移量是相同的,这时两光栅Bragg波长漂移量之差就完全取决于压力,从而实现对压力温度的区分测量。实验测得,在0～7MPa内传感器的压力响应灵敏度为0.073nm/MPa,在22.6～112.6℃内的温度灵敏度为0.037nm/℃,分别是裸FBG的24倍和3.7倍。结果也表明,这种传感器具有良好的线性度与可重复性。     

压差式FBG传感器静态压力特性实验研究

在分析压差式FBG(光纤布拉格光栅)传感原理的基础上,采用液压校验仪和Q8384光谱仪对其静态压力传感特性进行了实验研究,并对实验结果进行了误差分析。实验结果表明,在0～0.35MPa的压力范围内,FBG的灵敏系数为3pm/kPa,布拉格波长随着压差的变化呈现出良好的线性关系和重复性,且迟滞现象较小,可以用于液压系统的流量测量。     

应用在油气管线的光纤光栅温度压力传感系统

为了提高光纤光栅的温度和压力灵敏度系数以满足实用化对灵敏度精度的要求,对光纤光栅进行封装设计。得到封装后的光纤光栅温度和压力灵敏度系数分别为0.052nm/℃和0.8208nm/MPa,分别为裸光栅的5倍和273倍,且传感器的温度和压力响应与光栅反射波长成良好的线性关系。通过半个月的油气管线现场实验,测得光纤光栅温度压力传感器与油气管线的电类传感器的测量值符合得特别好,该温度和压力传感系统满足了温度和压力的实时测量。     

多参量一体化光纤传感器及标校系统的研制与开发

提出一种集温度、压力和流量多参数同时测量的新型光纤传感器,并对其原理和结构、工艺设计展开研究工作。采用靶式与悬臂梁结构相结合的机敏结构、薄壁压力应变筒结构等集成在同一传感器探头上,并利用四只光纤光栅使得温度、压力和流量三个参数得以同时检测。利用光纤光栅两两之间波长移动量相差或相和,使温度与流量、压力交叉敏感问题得以解决。同时开发了光纤传感器标校系统,这一系统可以较准确实现对所研发的多参量一体化传感器的测试结果进行检测和标校。     

Research on novel pressurized fiber Bragg grating static level based on circular structure

The static levelling system has significant value in the settling measurement of the structures. A novel pressurized static level based on circular structure is designed by using fiber Bragg grating (FBG) sensing technology in this research. The variation of the level pressure in the connecting vessel can be transmitted through the diaphragm to the FBG of the circular ring. The Ritz method is used to calculate the lateral deformation of the circular ring under the concentrated force, constructing the theoretical sensitivity model of the sensor. Further, finite element simulation and static experiments are applied to modify and verify it. According to the experimental data, two FBGs arranged horizontally along the circular ring, multiplying the sensitivity of the FBG static level to about 4.75 pm/mm, while the resolution can reach 0.02 mm. In addition, the temperature compensation of the sensor can be realized by the synergistic change of the measurement point and the reference point within the system of connecting vessel.     

一种高频双FBG加速度传感器及其解调方法

为了适应光纤传感器在高转速机械设备安全监测 中的应用,设计了一种双光纤布拉格光栅(FBG)对称式 的高频光纤光栅加速度传感器,并提出一种新的匹配FBG解调方法。阐述了传感器 的结构和工作原理,利用有限元方法分析了传感器的静态与动态特性,并通过实验对传感 器的灵敏度、幅频响应特性和横向 抗干扰能力等方面进行了测试。提出了基于比值法的匹配光纤光栅解调原理,消除了光源不 稳定 等因素对检测精度的影响。实验结果表明,本文传感器谐振频率为900Hz,灵敏度为88mV/g,加速度测量 范围大于80m/s²,横向 灵敏度系数小于10%,并具备较好的抗干扰能力。     

Pressure sensing recognition of FBG array based on random forest algorithm

In order to improve the precision of static load pressure recognition and identify the position of the applied force accurately, a fiber Bragg grating (FBG) flexible sensor array is proposed in this work. Numerical analysis for the package thickness (4 mm) and package position (2 mm from the bottom) of the FBG flexible sensor is performed using COMSOL, and optimal package thickness (4 mm) and package position (2 mm from the bottom) are selected in the analysis. By using 12-FBGs layout method and random forest algorithm, the position and load prediction model is established. The results show that the average error of the distance between the prediction points of coordinates X-Y and static load F and the real sample points is 0.092. Finally, to verify the proposed models, the pressure sensing experiments of the flexible FBG array are carried out on this basis. The weights of 100 g to 1 000 g are applied to different regions of the flexible sensor array one by one in accordance with a certain trajectory. The variation of each FBG wavelength was taken as the input of the stochastic forest prediction model, and the coordinate position and the static load size F were taken as the output to establish the prediction model. The minimum distance error between the actual point and the predicted point was calculated by experiment as 0.03491. The maximum is 0.2481, and the mean error is 0.1515. It is concluded that the random forest prediction model has a good prediction effect on the pressure sensing of the flexible FBG sensing array.     

一种实用的光纤光栅液位传感器

设计了一种波纹管为衬底的光纤光栅(FBG)液位传感头,提出用参考光栅补偿温度变化对FBG测量压力影响的方法。在3～30 cm的液位范围内,测试了传感器的特性,给出温度补偿后液位引起波长漂移的实验曲线。结果表明,传感器液位灵敏度为-0.0553 nm/cm。传感头采用Ni基合金作为机敏封装元件,具有抗腐蚀、耐疲劳的优点,适用于储油罐等恶劣环境下使用。     

一种大量程双弹簧式光纤光栅位错计

设计了一种大量程双弹簧式光纤光栅位错计。选 用弹簧作为位移-力转化元件,使光纤布拉格光栅 (fiber Bragg grating,简称FBG)所在基体发生轴向应变进而得到中心波长变化量。理论分 析了FBG位错 计机械结构与基体之间的位移传递关系,给出了位错计的理论灵敏度系数公式。以位移量为 变化参数,对 FBG位错计进行了标定试验并根据数据进行传感器静态特性分析。结果表明,位错计的双向 线性度分别为 2.445%和2.386%;迟滞性分别为 3.385%和1.237%;灵敏度系数分别为34.93pm/cm和31.20pm/cm。该 FBG位错计结构简单、量程大、精度高、抗电磁干扰且可以实现温度自补偿。可应用于恶劣 以及复杂的地下工程结构长期的相对沉降远程监测。