基于光纤温度和应变传感器的物理创新实验

为了实现温度和应变同时测量,本文设计了一种基于多模干涉的光纤温度和应变传感器.该传感器利用光纤熔接机将一段细保偏光纤和一段细芯光纤错位熔接后引入萨格纳克环中而制成.由于光纤错位和模场失配,传感器内存在偏振模干涉和纤芯模-包层模干涉.对不同温度和应变作用下采集到的传感器透射谱进行滤波处理,可提取两种干涉对应的透射谱.基于透射谱中两个不同波谷的温度和应变灵敏度建立同时测量矩阵,即可实现温度和应变的同时测量.实验数据显示该传感器的温度和应变分辨率分别为0.30℃和13.50με.本实验可以作为物理和光电相关专业本科生物理创新实验,帮助大学生掌握光纤传感原理、实验技能和数据处理与分析方法.

基于并联游标效应的MZ光纤应变传感器增敏解调系统

为了进一步提高马赫-曾德尔(MZ)光纤应变传感器的灵敏度,设计了一种基于并联游标效应的MZ光纤应变传感器增敏解调系统。该系统由传感干涉仪和参考干涉仪并联组成,2个干涉仪都是单模-无芯-少模-单模(SNFS)结构的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。通过提取2个SNFS-MZI传输信号的差频成分并跟踪其波谷的移动,提高系统应变灵敏度。此外,通过单独提取参考干涉仪的干涉谱,从而消减应变测量时的温度串扰。实验结果表明:该系统的应变灵敏度为7.39 pm/με,约为单个传感干涉仪的应变灵敏度5倍;通过调节参考干涉仪和传感干涉仪的传感臂长,可以灵活调节MZ光纤应变传感器增敏解调系统的灵敏度性能。

温度不敏感的光纤双腔盐度传感器

针对光纤微腔盐度传感器的温度交叉敏感问题,设计了一种基于陶瓷插芯和氧化锆套筒相结合的开放式盐水腔,利用氧化锆的正热膨胀系数抵消盐水的负热光系数,补偿温度对盐度测量的影响。为进一步提高盐度检测灵敏度,将开放盐水腔和封闭空气腔并联,通过精确控制两腔的自由光谱范围,使干涉谱产生游标效应,利用游标现象实现盐度灵敏度放大。实验结果表明:盐水腔的温度灵敏度仅为0.025 nm/℃,远低于盐水热光系数导致的温度灵敏度(-0.35nm/℃);在0~3%的盐度内,并联双腔的盐度灵敏度达到了0.180 8 nm/%,比单个盐水腔的盐度灵敏度提高了10.5倍。该传感器具有易于制造、灵敏度高、性能稳定等优点,理论上可实现温度的完全补偿。

基于荧光强度比的毛细管液芯光纤温度传感器

针对现有光纤荧光温度传感探头制备复杂的问题,本文提出了一种制备简单、成本低廉且性能优异的基于毛细管液芯的光纤荧光温度传感器。首先将对温度敏感的罗丹明B和对温度不敏感的罗丹明123的混合溶液作为温敏材料封装在不锈钢毛细管中制备成传感探头,利用两者荧光发射峰强度的比值进行温度传感。之后对传感探头中混合溶液的浓度和毛细管的结构参数进行了优化,并对传感器的性能进行了测试,最终将其应用于实际生活温度检测中。实验结果表明:该传感器的温度响应范围为30~70℃,荧光强度比与温度之间呈二次相关,拟合相关系数高达0.9984,且具有很好的准确性、重复性和稳定性,使用时间可达3个月以上,能很好地应用于对日常生活中温度的检测。该光纤荧光温度传感器在实时监测和远端探测方面具有很大的潜力。

基于微纳光纤谐振环的温度传感器研究

该项工作制作并验证了基于微纳光纤结型谐振环的高灵敏度且扩大测量范围的温度传感器。在微纳光纤谐振环中产生多个模式并参与谐振,多个模式谐振的光谱相互叠加,形成带包络的游标光谱。通过提取游标光谱的包络线,实现高灵敏度的温度测量,灵敏度高达-10 nm/℃。但计算得到利用游标光谱时的温度测量范围仅约为4℃。为解决测量范围过小的问题,将包络光谱与单一频率组分对应的谐振光谱相结合,使测量范围扩大至约20℃。相比于单一频率组分对应的谐振光谱,利用游标包络光谱实现了灵敏度约1600倍的放大。该方案利用游标效应提高温度测量灵敏度的同时,利用单一频率组分对应的谐振光谱扩大了游标光谱的温度测量范围,提高了传感器的性能和实用性。

基于Sagnac干涉计谐波游标效应的光纤温度传感器

提出一种基于双萨格奈克(Sagnac)干涉计谐波游标效应的光纤温度传感器,在该传感器中,传感干涉计中熊猫光纤的长度约为参考干涉计中熊猫光纤的整数倍。理论分析与实验结果表明,当游标放大倍率相同时,基于谐波游标效应和基于普通光学游标效应的双Sagnac干涉计具有相同的温度灵敏度,但谐波游标效应对应的熊猫光纤长度失谐量明显大于普通光学游标效应,且阶数越高对应的失谐量越大。由于失谐量越大,游标放大倍率越容易控制和实现,因此,从制备角度上讲,谐波游标效应明显优于普通光学游标效应。该研究可为后续光学游标效应的研究提供重要参考。

基于加权最小二乘法的光纤光栅应变传感器参数敏感性自动优化算法

常规光纤光栅应变传感器参数优化方法主要依托于麻雀搜索算法,但此方法忽略了应变传递的影响,导致传感器灵敏度较低,无法保证测量精度。为此,提出基于加权最小二乘法的光纤光栅应变传感器参数敏感性自动优化算法。依据光纤光栅应变传感器的组成结构与工作原理,充分考虑应变传递系数的变化规律,计算应变传递损耗,并采用光传输矩阵计算光纤中心波长的电场振幅,由此得到传感器敏感场分布,结合模式耦合理论,以敏感场分布均匀性和最大电容与最小电容比值最小为目标函数建立参数优化模型,并采用加权最小二乘法对采样点加权获取优化响应值,进而得到传感器最优结构参数。对比实验结果表明,利用所提方法对光纤光栅应变传感器参数进行优化后,传感器的灵敏度较高,保证了传感器的测量精度。

基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法研究

针对低温结构应变难以精确可靠测量的问题,采用两端粘贴工艺制备了耐低温胶封装FBG应变传感器并通过低温单轴拉伸试验研究了其应变响应特性,理论推导了考虑光纤热光系数的温度补偿算法并通过低温温度响应试验分析了其准确性,最后应用于LNG球阀球体低温应变测量。封装工艺不改变FBG反射光谱形状,低温下传感器呈良好线性、重复性和稳定性,温度补偿算法有效提高了温度变化引起的应变测量精度,实现了低至液氮温区的球体应变监测。研究表明,耐低温胶封装FBG应变传感器结合考虑热光系数的温度补偿算法为LNG球阀等低温结构的应变测量提供了一种有效方法。

压杆式光纤光栅位移传感器的研制

基于光纤弹性应变与圆柱螺旋压缩弹簧轴向变形的传递机理,提出了一种压杆式光纤光栅位移传感器。推导出波长漂移与压簧自由端位移的关系式,采取光纤光栅两端夹持的应变传递封装,结合压簧、弹簧管与紧定装置组成弹性转换结构,采用线径0.6 mm,中径6 mm,有效圈数14的压簧元件制备了传感器原型,并对其静态性能和温度响应特性进行了标定试验研究。结果表明:在15 mm的量程内,传感器的位移灵敏度为451.36 pm/mm,线性度为0.69%,重复性为1.54%,迟滞性为1.13%;应变、温补光栅的温度灵敏度分别为10.15,19.18 pm/℃,误差分别为1.39%,1.50%,具有良好的温度补偿效果。

光纤传感器对合金结构瞬态高温应变测量的适用性研究

高温下结构应变测量数据的重复性是判断测量结果有效性的前提和基础。文章采用石英灯辐射加热技术构建瞬态辐射加热环境,以薄壁平板型合金材料结构为测量对象,对光纤应变传感器在瞬态加热环境下应变测量数据的重复性进行实验研究,以确定其对合金材料瞬态高温下应变测量的适用性。结果表明:光纤传感器与K型热电偶的测温偏离量小于1.76%;在安装面加热状态,瞬态加热温升速率最高达到18℃/s,结构最高温度达到850℃,此温度下测得的结构件最大应变为9848.2με,3次实验测量数据的重复性优于1.42%;非安装面加热状态、结构温度650℃下的3次测量数据重复性为0.95%,且与安装面加热状态、相同温度下的测量数据平均值的相对差异仅为0.67%。综上说明,所采用的光纤应变传感器适用于石英灯瞬态辐射加热环境下合金结构件的应变测量。

无封装光纤光栅应变传感器校准系统研究

为校准无封装的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)应变传感器,设计了一套高精度的光纤光栅应变传感器校准系统,系统主要由一套高定位精度的水平位移装置和激光干涉仪组成。对FBGS-S02型的无封装FBG应变传感器进行校准测试,校准结果的最大误差为-0.2με,满足该传感器±2με的误差要求。

一种基于光子晶体光纤的高灵敏度Sagnac型温度传感器建模研究

为提高Sagnac型温度传感器的测温范围和灵敏度,提供了一种具有高双折射高温度灵敏度特性的光子晶体光纤设计方法。通过在光纤空气孔内填充温敏液体材料,使光纤具有良好的温敏特性。在COMSOL中建立该光子晶体光纤的电磁场模型并对光纤特性进行分析计算,利用有限元法分析结构参数对双折射和光纤双折射温度灵敏度的影响,并在所确定结构基础上研究了温敏液体的填充方式和填充液体类型对光纤温敏特性的影响。确定了最优的结构和液体填充方式,最优情况下该光纤的双折射温度灵敏度能够达到2.0507×10^(−5)/℃,在1550 nm处可获得5.96×10^(−2)的双折射。将2 mm光子晶体光纤应用于Sagnac型温度传感器中并进行传感性能仿真分析,利用多项式拟合的方法对结果数据进行拟合以分析传感器的温度灵敏度,提高拟合准确性、减小测量误差。结果表明在0~75℃范围内传感器平均灵敏度可达11.28 nm/℃,与现有典型Sagnac型温度传感器相比,本文Sagnac型温度传感器在尽量减小光纤长度的基础上获得了较高的温度灵敏度,并且测温范围更大、准确性更高。因此,该传感器在温度测量领域有一定的应用前景。

用于检测痕量铅离子的功能化反射结构光纤干涉传感器

铅离子(Pb^(2+))是日常生活中常接触的有毒重金属污染物之一。本研究开发了一种新型反射式光纤干涉传感器,用于检测痕量铅离子。该传感器结构由单模光纤、无芯光纤和细芯光纤(TCF)依次拼接而成。TCF的包层被氢氟酸部分腐蚀并涂覆功能化的水凝胶传感膜。该传感膜选用甲基丙烯酸2-羟基乙酯(2-HEMA)作为识别单体。2-HEMA中的氧原子能与Pb^(2+)发生配体-受体相互作用,形成“-O-Pb-O-”交联结构,从而改变TCF的新包层有效折射率。因此,可以通过观察反射光谱中光信号的变化来检测水溶液中Pb^(2+)的浓度。所提出的传感器具有很高的检测灵敏度(1.926×10^(9)nm·mol^(-1)·L),其检测极限为4.14 ppt(1 ng·L^(-1)=1 ppt),比世界卫生组织(WHO)规定的饮用水中Pb^(2+)(10 ppb,1μg·L^(-1)=1 ppb)浓度低1000倍。此外,利用一个方程组实现了该传感器的温度自校准功能,成功地消除了环境温度的干扰。由于该传感器良好的特异性、稳定性以及反射式结构,非常便于实时远程检测,为环境和人类健康监测提供了广阔的前景。

金属基底增敏的干涉型高温光纤传感器

为了实现对井下潜油电泵机组温度的实时监测,设计了一种由粗锥型单模--多模--单模(Coarse Cone Singlemode-Multimode-Singlemode,CCSMS)构成的马赫--曾德尔干涉(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)型高温光纤传感器。该结构采用直接熔接的方法将单模光纤与多模光纤相熔接;接着通过调整熔接机的熔接参数,在单模光纤上制作出粗锥结构;最后将制备的结构嵌入铜基板的U型槽中,实现传感器的增敏封装。对封装后的传感器的温度响应特性进行了测试。实验结果表明,在40~250℃的温度范围内,该传感器实现了灵敏度为124.9 pm/℃的温度传感。对其稳定性和重复性进行了测试。结果表明,传感器的稳定性最大误差约为0.44%,重复性最大误差约为2.29 pm/℃。该传感器具有灵敏度高、重复性和稳定性好的特点,有望用于油气井下潜油电泵机组的温度监测。

基于荧光寿命与热辐射测温的30℃至800℃的光纤温度传感器

通过研究荧光型光纤温度传感和热辐射型光纤温度传感,该文设计了一种结合荧光寿命与热辐射测温的光纤温度传感器,适用温度为30~800℃。首先,改进了传统的荧光传感探针,采用石英玻璃棒代替光纤,可避免高温下光纤吸收和散射损耗导致的光传输效率下降。其次,利用耐高温的Y(P,V)O_(4):Eu^(3+)荧光材料进行中、低温段(低于400℃)的荧光寿命测温,获得材料荧光寿命与温度的关系;在中、高温段(高于300℃),使用光功率计测得1490 nm波长下光纤探针的热辐射功率与温度的关系,并拟合得到热辐射功率与温度的四阶表达式;然后,在两种测温方法都有效的温度重叠区(300~360℃),使用荧光寿命测温值标定热辐射的功率与温度关系式,确保高温段的测温精度;最后,将荧光寿命测温与热辐射测温相结合,实现30~800℃范围内的温度测量。

表面焊接式光纤布喇格光栅应变传感器的疲劳性能研究

针对用于起重机械结构健康监测的光纤布喇格光栅(FBG)应变传感器疲劳性能未知问题,采用动态载荷与静态拉伸相结合的试验方法,对起重机械钢结构疲劳损伤监测中的3种封装形式FBG应变传感器开展了疲劳性能研究,分析了反映传感器性能的灵敏度系数、带宽、边摸抑制比、峰谷比、零点波长、动态应变分别随疲劳次数增加时的变化情况。试验结果表明:3种封装方式的FBG应变传感器疲劳前后,在加载、卸载相同载荷时,灵敏度系数相差最大不超过0.1 pm/με,带宽均值为0.19~0.23 nm,峰谷比和边摸抑制比随疲劳次数的增加变化趋势相同,零点波长变化最大值为0.31 nm,动态应变符合二次指数函数分布特征。

锥形光纤光栅传感器的传感特性

为解决锥形光纤光栅的温度应力交叉敏感问题,本文提出一种对温度不敏感的反射波半峰值带宽进行编码的方法。由于锥形光纤光栅的反射波半峰值带宽仅随应力变化而不受温度影响,因此笔者利用这一特性进行编码,解决了交叉敏感问题。通过MATLAB仿真验证,与传统的利用波长编码(该波长对温度和应力均敏感)的方法相比,本文提出的方法仅须使用一根光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)便可实现温度和应力的同步测量,不仅结构简单,而且操作便捷。

基于夹持粘贴式的光纤光栅传感器力热耦合测试

针对力热耦合环境中对结构件应变测试的准确获取问题,提出一种基于夹持粘贴式与温度补偿解耦的裸光纤光栅传感器应变测试方法。首先,通过有限元分析对比夹持粘贴式、表面粘贴式两种与基材集成方式的应变传递率,两者应变传递率分别为99.47%与95.8%;然后,以光纤胶粘应变传递理论及有限元仿真分析不同标距比对夹持粘贴式光纤光栅传感器应变传递率的影响,发现随着标距比增加,应变传递率逐渐衰减。基于粘贴形式与标距比分析结果,选取标距比为1的夹持式裸光纤光栅与基材粘贴集成为试验件,同时集联一条裸光纤光栅温度传感器,在完成对光纤光栅温度/应变标定测试后,进行100~250℃、3 000με范围内的试验件梯度高温拉伸测试。实验结果表明,利用温度补偿法解耦出光纤光栅传感器测量的应变结果与标准高温应变片结果的平均相对误差最大值为2.26%。该研究结果对高温下光纤光栅传感器应变测量与集成的工程应用具有一定参考意义。

基于光纤光栅传感器的复合材料气瓶应变检测

针对复合材料气瓶应变检测的需求,提出了一种光纤光栅传感器植入碳纤维缠绕铝合金内衬的复合材料气瓶的方法,首先在室温下将光纤光栅传感器粘接在经过喷砂处理的铝合金内衬外表面,然后对粘接了光纤光栅传感器的铝合金内衬进行高温老炼,最后进行碳纤维缠绕和固化。开展了8只光纤光栅应变传感器植入复合材料气瓶的试验,其中6只传感器在复合材料气瓶150℃/1.5 h固化后保持存活,实现了复合材料气瓶固化、水压疲劳、高温试验等过程中的应变检测。结果表明,所提出的方法可以减小内衬的粗糙外表面导致的光纤光栅信号衰减,验证了光纤光栅传感器植入复合材料气瓶进行应变检测的可行性。

考虑混凝土弹塑性的植入式GFRP封装FBG传感器应变传递分析

工程化FBG传感器的封装层引入的应变传递损耗使其具有应变传递误差,需进行应变传递分析。已有研究多聚焦于基体处于线弹性时的应变传递分析,而混凝土结构发生弹塑性变形后的应变传递规律尚未明晰。以植入式GFRP封装FBG传感器为对象,在应变传递分析中引入混凝土的非线弹性本构关系,建立了基体与FBG的应变传递关系,通过有限元模拟验证了该理论推导的有效性。基于理论分析探讨了混凝土弹塑性演化、混凝土标号、传感器半径与标距等因素对应变传递效率的影响,并分析了传感器的尺寸设计。研究表明:平均应变传递率在混凝土弹性阶段变化较小,而到塑性阶段则显著降低,混凝土标号、半径与标距都会对应变传递效率产生较大影响。本研究可广泛用于植入式FBG传感器的应变传递误差修正及设计。