基片式光纤光栅应变传感器增敏结构研究

改变光纤光栅(FBG)传感器的封装结构在提高传感器的测量灵敏度、保护传感器方面具有重要的作用。在传统应变片封装结构的基础上,设计了一种具有新型增敏结构的基片式封装结构。对新型封装的结构参数与传感器应变灵敏度之间的关系进行了仿真分析,并与一般封装结构的特性进行了对比。仿真结果表明,在整体尺寸相同的情况下,采用新型增敏结构应变片的应变灵敏度为463με/N,是一般封装结构应变片的3.4倍。对FBG传感器进行了封装处理和对比测试实验,实验结果与理论设计相符合。

基于双圆柱增敏结构的热丝式MEMS矢量水听器研制

针对热丝式MEMS质点振速传感器应用到水下时,其灵敏度严重衰减的问题,提出了一种双圆柱增敏结构,通过流体仿真分析,优化了增敏结构设计,并设计了一种水下应用的封装结构。在空气半消声室及矢量水听器水下驻波场校准装置中的测试表明,其在20～2 000 Hz频段内,增敏结构对声波信号放大约10 dB,研制的矢量水听器工作频段为20～800 Hz,灵敏度达到-199 dB。

基于MEMS声敏结构的光纤声波传感器

基于微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)工艺加工声波敏感结构,将声波敏感结构与光纤端面构成非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI)感知声波。研究了不同厚度和不同增敏环数的声压敏感薄膜结构对声波探测性能的差异,对比了信噪比测试结果。实验结果表明,针对400 nm和1000 nm厚度的声敏薄膜,在相同的测试条件下,前者的声敏结构位移更大、频率响应的信噪比更高。在相同薄膜厚度条件下,具有增敏结构的MEMS薄膜可以释放薄膜的初始应力,降低薄膜的刚性,相比无增敏结构的MEMS薄膜具有更高的灵敏度。

一种增敏结构的FBG倾角传感器研究

实现了一种增敏结构的光纤Bragg光栅(FBG)倾角传感器,在传统等强度梁结构的基础上设计一种新型凸台增敏结构,将经预拉伸后的FBG两端的光纤固定于凸台上,刻有光栅部分位于凸台之间,当传感器的倾角状态变化时,摆锤的重力分量迫使梁发生弯曲变形,FBG感知变形应变,中心波长产生漂移,根据波长的漂移情况表征倾角状态。加工制造了无凸台结构和凸台高为0.5mm、1.0mm的3种FBG倾角传感器以开展增敏效果对比,实施了量程、灵敏度、线性、重复性和蠕变等的测试。实验表明,设计的增敏结构可显著提高传感器的灵敏度,凸台高为1.0mm的传感器灵敏度提高了2.23倍,倾角的测量分辨率可达到0.005°,且在重复性、线性、蠕变等方面有着良好的测量能力,证明了基于本文增敏结构的倾角传感器的有效性和可行性。

增敏型级联双参量测量的光纤传感器

旨在有效解决液体折射率检测中温度和折射率交叉敏感的问题,研制了一种增敏型光纤光栅(FBG)级联马赫-曾德尔(M-Z)结构的温度、折射率双参量测量的光纤传感器。通过多次熔接实验,调节相应参数将单模光纤(SMF)和薄芯光纤(TCF)进行拉锥熔接;然后在TCF的另一端熔接无心光纤(NCF),制备出M-Z光纤干涉仪;再在NCF末端级联上铝制毛细管增敏封装后的光纤光栅(FBG),最终完成双参量测量的光纤传感器的制备。根据M-Z干涉原理及FBG模式理论,计算了增敏FBG理论的温度灵敏度,给出了传感器的灵敏度系数矩阵与温度、折射率与透射谱的波长漂移量的理论公式。搭建了温度、折射率传感测试系统,实验结果表明:在15~85℃温度范围内,随着温度增加,该传感器的透射谱逐渐红移,封装后的FBG和M-Z结构的温度与波长偏移量线性相关系数分别为0.96323和0.91577,温度灵敏度分别为33.71 pm/℃和11.58 pm/℃;在室温下(25℃),液体折射率在1.333RIU~1.34235RIU范围内,随着折射率增加,FBG透射谱不发生偏移,M-Z透射谱逐渐蓝移,折射率与波长偏移量线性相关系数分别为0和0.98761,折射率灵敏度分别为0 nm/RIU和-493.51322 nm/RIU。该传感器可以有效提高温度、折射率的检测精度和灵敏度,可应用于环境、生物、石油化工和食品生产等领域。

超短FBG的高灵敏度温度传感器

为了研究一种适用于人造卫星环境温度监测的高灵敏度温度传感器,利用超短光纤光栅的小尺寸优点并结合双金属增敏结构研究设计小尺寸高灵敏度温度传感器。采用1 mm超短光纤光栅作为测量敏感元件,以热膨胀系数大的铝材作为基底、热膨胀系数小的殷钢为热应变传递梁,将30 mm的铝材基底热应变转化为1 mm超短光纤光栅上的弹性应变,达到高效的温度增敏效果,实现了高灵敏度的温度测量。经测试,高灵敏度温度传感器的温度灵敏度系数为292.59 pm/℃,分辨率优于0.004℃,线性度为99.93%。该传感器可用于温度的精确测量,具有尺寸小和分辨率高等优点。

基于正弦机构力放大原理的高灵敏度光纤光栅压力传感器

基于正弦机构力放大原理,设计研究了基于平面圆形薄板结构的新型高灵敏度光纤光栅压力传感器,研究表明,传感器的压力灵敏度可高达0.04711(pm/Pa),比裸光纤增敏了14989倍,可应用于超低量程压力的传感测量,而该封装结构易于传感FBG多路复用,组成传感器阵列。

基于杠杆原理的高灵敏度光纤光栅压力传感器实验

目的为更好地扩大光纤光栅压力传感器的适用范围,设计一种基于拉伸铝片的新型高灵敏度光纤光栅压力传感器.方法应用杠杆原理实现力的增敏,并改变力的方向,使光纤光栅受力增大,从而提高压力传感器的灵敏度及线性度.通过有限元模拟仿真,将实验结果与模拟结果进行对比分析.结果新型压力传感器的灵敏度实验结果与模拟结果相近,实测拉力灵敏度为2.239×10^(-6)nm/Pa,比裸光纤增敏了730倍,其线性度为"0.99".同时通过改变杠杆的比例、材料截面、形式等因素,可以使传感器适应更多的环境需求.结论笔者设计的光纤光栅压力传感器线性度好,灵敏度高,可以满足工程实用性.

EFPI式光纤声压传感器中敏感薄膜设计与分析

针对非本征F-P干涉仪式光纤声压传感器中的声压敏感薄膜性能提升,设计并制备了不同厚度和不同增敏环数的声压敏感薄膜结构。对不同声压敏感薄膜感知声压的性能进行测试。结果表明:声压敏感薄膜的厚度越薄,其声压灵敏度越大,对比400 nm厚度和1000 nm厚度的声压敏感薄膜,发现在相同声压的声波作用下,前者的输出电压比后者大一个数量级。此外,增加增敏环数可以有效地释放应力,降低薄膜的刚性,使得声压传感器的性能有所提升。

膜片式光纤光栅压力传感器的灵敏度分析

在理论推导光纤光栅压力传感器的灵敏度的基础上,采用结构增敏方法,设计并研制出了一种实用型高灵敏度的膜片式光纤光栅压力传感器,并用液压法对传感器的灵敏度进行了实验研究。实验结果表明,该高灵敏度膜片式光纤光栅压力传感器的反射波长移动量与膜片载荷(或水柱高度)成正比,其线性度达到0.9999,压力灵敏度系数为-0.023/MPa;实测压力灵敏度为0.03pm/Pa,理论压力灵敏度为0.0301pm/Pa,与实测压力灵敏度非常接近,二者的相对误差仅为0.33%。

表面式FBG应变传感器及其在高速公路桥梁工程中的应用

报道一种表面安装式光纤布喇格光栅(FBG)应变传感器及其在高速公路高架桥的车辆载荷压力试验中的应用。提出了一种具备应变放大能力且可调节的不锈钢封装的应变感测弹性结构,布设有FBG的弹性圆筒结构位于传感器中间部分,其横截面积小于传感器其他部分,传感器的应变测量放大系数可通过改变圆筒结构的长度和横截面积来调节。将24个经过测试标定后的应变传感器和6个FBG温度补偿传感器安装在甬台温高速吊水沿大桥箱梁底部,并对大桥实施一系列车辆载荷作用下的静态和动态试验,传感器表现出了良好的测量能力,3种静态载荷工况下的桥梁底部应变大小以及3种动态载荷工况下的应变变化情况被清晰地展现出来,理论分析与实验结果一致。