光纤布拉格光栅振动传感器的研究进展

随着光纤传感技术的不断发展,光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)振动传感器在实际应用中的复杂振动测量性能愈发优良可靠。基于FBG振动传感器的优势,简略地阐述了FBG振动传感器的工作原理,并介绍了近5年国内研发的部分悬臂梁型、膜片型、铰链型三种结构的优缺点。最后针对FBG振动传感器提出了4个方面的建议,并展望了FBG振动传感器的发展方向。

基于主动温度补偿的高温光纤布拉格光栅振动传感器

提出了一种基于主动温度补偿的等截面悬臂梁式光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器,可用于同时测量温度和振动,并通过温度补偿反馈解调系统对该传感器进行了实验验证。该高温振动传感器由石英悬臂梁和飞秒布拉格光栅组成。采用了主动温度补偿的反馈控制解调系统,可以不断地调节激光波长来稳定光栅偏置点,并实现温度和振动的同时测量。在此基础上,通过搭建高温振动测试系统,在20-400℃的温度范围内对传感器的性能进行测试和分析。实验结果表明传感器的灵敏度约为132.33 mV/g,线性度约为3.33%,激光波长与温度之间的灵敏度约为0.01307 nm/℃。另外,该主动温度补偿光纤布拉格光栅振动传感系统具有结构简单,性能稳定,易于解调,灵敏度高的优点。该传感器可以实现高温振动信号的监测,具有良好的实际应用价值。

基于光纤布拉格光栅多维力触觉传感器的研究

为了帮助机器人感知与外界环境和对象的相互作用情况并及时作出判断和反馈,研究并制作了一种基于光纤光栅测量三维力的触觉传感器,用于机器人外表面的受力检测。该传感器主要由一个十字型弹性体和一根串联了5段不同中心波长的光栅组成。首先利用SolidWorks软件进行有限元仿真分析,研究弹性体接受外部水平力和垂直力时各部分的应变特性,然后依据其应变特性,确定各个FBG在弹性体上的最佳粘接位置,以达到最高的灵敏度;其次,对弹性体的不同位置施加应力,确定最佳施加力的位置;最后通过处理五个FBG的波长变化,测量来自X、Y、Z方向的三维力灵敏度。通过实验测试分析,该传感器具有良好的应力传感灵敏度。

具有温度自补偿的保偏光纤布拉格光栅多参量传感器的设计与制备

多参量的动态检测对于隧道、桥梁和管道等结构疲劳损伤的预测具有重要意义,开发一种高灵敏度、环境友好、低成本和易于操作的多参量动态检测技术一直是业界追求的目标.为了克服目前基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的多参量传感器结构和原理复杂、制作成本高等问题,本文基于保偏光纤布拉格光栅(PM-FBG)设计并制作了一种结构简单且高灵敏度,单点可同时测量多个参量的新型传感器.该传感器通过传感臂可以同时测量某一点在两个垂直方向上的位移和扭转变化,并具有温度自补偿功能.实验结果表明:该传感器的快轴和慢轴对于温度的响应不同,其线性灵敏度分别为11.4 pm/℃和10.6 pm/℃,温度补偿系数为0.8 pm/℃,平均扭转灵敏度为0.20 dB/(°);该传感器的快轴和慢轴对位移/弯曲的响应相同,线性灵敏度为31.5 pm/mm.当改变传感器周围的温度场,其位移和扭转传感性能不受影响,可实现3个参量的同时测量.本文研制的PM-FBG新型多参量传感器可以保证高精度的温度、位移和扭转测量,同时具有较低的制作成本,有望为多参量动态检测提供一种新的手段.

基于光纤布拉格光栅振动传感器和极限学习机的工字钢梁损伤识别

围绕工字钢梁损伤识别问题,研制了一种新型双端固定梁结构光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器,实现了工字钢梁振动响应的有效获取。在此基础上,研究了工字钢梁损伤自动识别方法,利用其对FBG振动传感器获取的振动响应进行处理。该方法采用小波包能量比变化偏差(ERVD)作为损伤特征,进而基于极限学习机(ELM)算法实现工字钢梁损伤状态识别。传感器仿真模拟和实验测试结果表明:设计的FBG振动传感器频率响应范围为10~350 Hz,在加速度响应范围为0.2g~3.0g时,灵敏度为6.7 pm/g,具有良好的线性度和横向抗干扰能力。工字钢梁损伤识别实验结果表明:所提方法对工字钢梁的损伤状态识别准确率达到96.7%,与常规的基于back propagation(BP)神经网络的损伤识别方法相比,准确率提高了3.4个百分点。

光纤布拉格光栅传感器网络映射算法研究

采用目前方法获取光纤布拉格光栅传感器网络映射结果时,存在映射效果较差的问题。为此,提出了光纤布拉格光栅传感器网络映射算法研究的方法。首先对光纤布拉格光栅传感器的传感原理进行分析,并以分析结果为基础,建立基于BP神经网络的网络映射问题模型。通过对该模型内的节点综合能力和影响因子进行分析,获取有利于光纤布拉格光栅传感器测量性能的优化结果。将两组传感器优化结果分别代入虚拟网络映射模型中,利用模型的节点可靠感知性原理,实现光纤布拉格光栅传感器网络映射。实验结果表明,所提方法在小规模场景下的通信请求率和平均计算请求率分别为87%和16%,在大规模条件下的平均通信请求率和平均计算请求率分别为91%和9%,表明所提方法的网络映射效果较好。

基于级联长周期光纤光栅的光纤布拉格光栅振动传感器的动态解调

提出一种基于级联长周期光纤光栅(CLPG)的光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器动态解调方法。宽带光源发出的光经FBG反射后,进入到CLPG,经过CLPG调制后FBG反射光强会发生变化。通过温度测量实验对监测系统进行静态标定,再将FBG传感器粘贴于铝板表面,采用该系统监测简支铝板结构在低频和高频下的振动信号。系统采集到的动态信号时域波形及频谱与涡电流位移计的测量结果相吻合,表明该监测系统可实现2kHz以下的动态信号测量。

具有自标定功能的光纤光栅位移传感器

为了解决光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)位移传感器易受温度、振动等外界因素影响而导致测量重复性差的问题,本文利用磁铁非接触的力传递特性,以光纤光栅为核心元件,工字型梁、永磁体等为辅助元件研究了一种无接触的FBG位移自校准装置。利用移动端磁铁与位置标定端磁铁位置重合时,工字型梁所受磁力最大,进行位置信息的自校准,进而提高FBG位移传感器的测量重复性和测量精度。通过将自校准装置安装在卷尺结构的位移传感器上,对其传感特性展开实验研究,结果表明:在0~360 mm的测量范围内,校准前平均均方根误差为5.838 mm,校准后平均均方根误差为0.953 mm。本文采用自校准装置在很大程度上提高了FBG位移传感器的测量重复性,为位移传感器的环境适应性优化提供了一种新方法。

低频光纤布拉格光栅振动加速度传感器研究

考虑到光纤布拉格光栅（FBG）在振动检测中的优势,针对等强度悬臂梁式光纤布拉格光栅低频振动加速度传感器,对其传感原理、固有频率进行了理论分析,考虑了悬臂梁本身质量对振动系统的影响,得出固有频率理论值为21.1Hz.实验结果表明：在5～16 Hz的频率范围内,该振动加速度传感器具有较平坦的频率响应曲线,加速度灵敏度为21.5pm/m/s2,传感器固有频率20 Hz,实验值与理论值相对误差为5.5％,表明该振动加速度传感器能实现低频加速度的测量.

光纤布拉格光栅温度不敏感振动传感器

介绍了一种新型的基于光纤布拉格光栅的温度不敏感的振动传感器。将光纤光栅倾斜粘贴在直角三角形悬臂梁的侧面,沿垂直方向的振动将导致悬臂梁沿长度方向的曲率周期性变化。悬臂梁弯曲使光纤布拉格光栅带宽展宽,其反射带宽和反射光强随着自由端挠度的变化而改变。在振动测量过程中,以传统的电阻应变片的测量结果作为此光纤光栅振动传感器的参照对比,两者所测得的振动频率相差小于0.5%。此外,由于光纤布拉格光栅的反射带宽和反射光强不随温度改变,所以此振动传感器具有温度不敏感性。

埋入式光纤布拉格光栅传感器封装结构对测量应变的影响

考虑在实际应变测量中传感器封装形式会影响光纤Bragg光栅测得的应变响应,本文研究了测量应变与实际应变之间的关系。针对埋入式光纤Bragg光栅传感器,建立了应变传递函数,并对传递函数的正确性和各个参数对测量应变的影响进行了研究。首先,根据埋入式光纤Bragg光栅传感器的受力特点,提出了多项式形式的剪应力分布,进一步建立了应变传递函数。然后,利用数值方法和实验对该应变传递函数进行验证。最后,分析了传感器长度、胶结层弹性模量、胶结层厚度对测量应变的影响。计算结果表明:该应变传递函数正确;胶结层厚度越薄,弹性模量越大,越有利于应变传递。该应变传递函数计算误差控制在5%以内,完全满足埋入式光纤Bragg光栅测量精度要求,对其实际应用具有指导意义。

基于光纤布拉格光栅的化学传感器

除掉光纤布拉格光栅的包层,可以使它的布拉格波长对外界环境的折射率变化敏感。采用氢氟酸腐蚀掉光纤布拉格光栅的包层,获得了直径约为6μm的布拉格光栅。实验研究了布拉格波长对化学溶液的浓度敏感性特征,结果表明:采用10 pm分辨率的光谱仪,丙二醇溶液在低浓度时的浓度分辨率为0.7%,在高浓度时的分辨率为0.32%;糖溶液在低浓度时的分辨率为0.55%,高浓度时为0.1%。采用商用的分辨率为1 pm的高精度波长解调系统,它们的分辨率可以提高一个数量级。

用于船舶结构监测的大量程光纤布拉格光栅应变传感器

平板结构的贴片式光纤光栅传感器应变测量范围较小,难以满足船舶结构健康监测中的应变测量要求。本文采用不锈钢材质,设计了一种采用环形平面弹簧和平板复合结构的贴片式传感器,通过环形平面弹簧结构将复合结构的大应变转化为光栅的小应变,降低被测物体与光栅之间的应变耦合系数,实现了大应变测量。理论分析了复合结构的传感原理,通过有限元方法仿真了该结构的应力分布,结果证明了该结构能够实现大应变测量。将传感器胶粘在特种钢试件上进行了载荷试验,试验结果表明:该复合结构传感器的量程大于20 000με,且线性度较好,相关系数大于0.99。另外,设计的传感器体积较小,便于安装,能较好地解决船舶结构健康监测中的大应变测量问题。

表面粘贴式光纤布拉格光栅传感器层状结构对测量应变的影响

由于用表面粘贴式光纤布拉格光栅(FBG)传感器测量应变时会影响基体的应变分布,本文研究了光纤应变与基体应变之间的关系。针对该类传感器建立了基体与光纤之间的应变传递函数用以修正测量应变,然后研究了FBG传感器与基体之间的相互作用。最后,利用有限元分析(FEA)和实际实验对提出的理论进行了验证。结果显示:光纤应变的FEA解与理论解的误差在5%以内,实验解与理论解的误差在8%以内,结果表明该理论完全满足表面粘贴式FBG传感器的精度要求。另外,分析了黏结层和基体对应变传递的影响,结果显示:平均应变传递率和应变传递率随着基体弹性模量的增加而增加,但它们随着黏结层顶端厚度和底端厚度的增加而逐渐减小。

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。

基于光纤布拉格光栅加速度传感器的振动监测系统

振动广泛存在于我们日常的工作和生活中,大型设备与建筑物等的异常振动会给人类的生活带来严重的危害。研究出一套光纤布拉格光栅加速度传感器组成的振动监测系统,克服了传统电磁类加速度传感器的诸多固有缺陷,对设备与建筑物进行高质量的振动测试与分析,以保证工程结构的安全运行,具有重大的经济意义以及社会意义。

光纤布拉格光栅传感器与基于应变模态理论的结构损伤识别

介绍了光纤布拉格光栅传感器和应变模态理论的基本原理 ,综述了应变模态理论用于结构损伤识别的研究现状。由于基于应变模态理论的结构损伤识别受到传统应变检测手段的制约 ,因此 ,寻求一种高精度应变检测手段已成为应变模态理论用于现场结构损伤识别的前提。根据光纤光栅所具有的高精度绝对测量、准分布式数字测量、抗电磁干扰、构造简单、使用方便等诸多优点 ,提出用具有高精度的光纤光栅应变检测技术代替传统的应变片测量技术 。

结构健康监测用光纤布拉格光栅应变传感器研究

采用不绣钢管对光纤布拉格光栅（FBG）进行封装并对其进行标定,粘贴在钢衍架表面测量结构的应变,封装光纤光栅显示了良好的传感性能,与电阻应变片测量结果吻合良好。封装后的光纤布拉格光栅传感器操作容易,便于安装,为建立工程结构健康监测系统奠定了基础。

可调量程拉绳式光纤布拉格光栅位移传感器

为了解决在复杂电磁环境下大位移量的监测问题,实现对大型机械和工程结构健康安全状况的实时监测,设计了一种基于悬臂梁结构的可调量程拉绳式光纤布拉格光栅位移传感器。悬臂梁两侧对称粘贴了两个不同中心波长的光纤光栅,当悬臂梁自由端的位置发生变化时,两个光纤光栅分别受到拉力和压力,因此光栅的中心波长向相反方向漂移。通过对两个中心波长差值与位移量关系的标定,可以排除温度的影响,实现对位移量的测量。传感器采用了拉绳式的位移传递方式,使得传感器的安装位置及测量方式更加灵活;便于拆装的位移转换装置,可以方便地调整传感器的量程,使其具有更广泛的适用性。位移传感实验结果表明,在传感器量程为60 mm时,位移传感器的平均灵敏度为47.7 pm/mm,相关系数达到0.998,重复性误差为2.83%FS,迟滞误差为1.02%FS。该位移传感器具有结构简单、量程可调的特点,可以满足不同环境下的位移测量需求。

强度调制的光纤布拉格光栅磁场传感器

设计了一种基于光纤布拉格光栅啁啾效应的磁场传感器,导出了光纤布拉格光栅的反射谱带宽与磁感应强度的关系.传感器工作时,磁场中的圆盘形软铁受到通电螺旋管线圈磁场力的作用,引起矩形悬臂梁变形,从而导致粘贴在悬臂梁侧边的光纤布拉格光栅的反射光谱带宽发生变化;利用光谱分析仪,通过检测光纤布拉格光栅反射谱带宽的变化量,即可得到被测磁场磁感应强度的大小.当光谱分析仪的分辨率为0.001 nm时,可测量磁感应强度为6～70mT.实验结果表明：该光纤布拉格光栅反射光谱带宽的变化量对温度变化不敏感,当温度从0℃变化到45℃时,3 dB带宽的变化小于8 pm.实验结果和理论分析一致,表明该方案切实可行.