有限包层Bragg光纤模式的分类与特性研究

Bragg光纤是一种具有全向反射光子带隙的新型微结构光纤。分析了无限包层Bragg光纤中的模式,在此基础上对有限包层Bragg光纤中传输的模式进行了分类。通过对比研究无限包层Bragg光纤中的模式,把有限包层Bragg光纤的模式分为准导模、PML模和泄漏模,并对上述模式的特性进行了简要分析。

有限包层半径光纤Bragg光栅的理论研究

采用光纤波导三层模型 ,对有限包层半径光纤Bragg光栅导模有效折射率的改变进行了理论分析 ,结果表明 :当包层直径小于 16 μm时 ,单模光纤Bragg光栅 (纤芯直径为 8 3μm)的导模有效折射率才开始发生明显变化 .在包层外添加外包层 ,通过改变外包层的折射率可以实现对光栅Bragg反射波长的调谐 ,同时对不同芯子直径的光栅Bragg波长移动进行了数值计算 .在保证光纤归一化频率不变的前提下 ,芯径越小Bragg波长调谐范围越大 ,当包层厚度为 1μm时 ,芯径为a =2 2 μm的 光栅Bragg波长调谐范围约为 3 9μm .

各向异性材料包层光纤Bragg光栅的反射谱

应用数值解法对包层为单轴晶体材料且其光轴平行于光纤轴的光纤功率限制因子进行了理论模拟,并从模式特性出发解释了k_(cl)对该类光纤Bragg光栅的反射率的影响。计算结果表明:对于HE_(11)模,各向同性材料包层光纤中的能量比单轴晶体材料包层光纤中的能量更容易集中在纤芯中传输,而且集中程度与k_(cl)的取值有关;各向异性材料包层比各向同性材料包层的光纤Bragg光栅的反射率要高;此类光纤Bragg光栅的反射率主要是由光纤纤芯和包层中能量分布决定的。

无限包层Bragg光纤的传输模式研究

分析得到了横向电场分量和磁场分量所满足的耦合方程,对于介质折射率的不连续处,采用严格的边界条件来处理。基于全矢量模型,使用有限差分法编写了复模式的求解器,并将其应用于Bragg光纤的模式求解和分析。绘制出了Bragg光纤模式谱图,分类分析了在无限包层情况下Bragg光纤模式的基本特性。

基于光纤Bragg光栅的模型桨叶弯矩解耦方法

近年来,光纤Bragg光栅(FBGFiber Bragg Grating,FBG)这种具有体积小、质量轻、抗电磁干扰能力强、可实现准分布式测量等独特优势的新型传感器受到了人们的广泛关注。为了实现其在直升机飞行试验中的工程应用,引入基于应变差值计算的桨叶弯矩解耦方法,通过标定实验确定不同光纤Bragg光栅组合桥路测量弯矩的耦合系数,选择最优弯矩解耦组合桥路,完成载荷标定。实验结果表明,光纤Bragg光栅传感器适用于直升机桨叶弯矩测量,可以实现挥舞、摆振、扭转弯矩的有效解耦和准分布式测量。

Bragg光纤包层制作误差对导模特性的影响

对Bragg光纤中包层制造误差对导模特性的影响进行了深入的分析和研究,给出了一般N层波导中模式场标量波动方程求解的传输矩阵方法,并将其应用在Bragg光纤模式场的分析当中。分别研究了Bragg包层存在折射率误差和厚度误差时对光纤基模模式场的有效折射率、模场半径和芯区功率占比的影响,并利用统计的方法分析了不同制作误差时导模特性的相对变化。折射率误差在1‰的水平时,基模有效折射率、模场半径和芯区功率占比的方差水平为1.55×10^(-4)、1.04×10^(-1)和1.79×10^(-2);厚度误差在2%的水平时模式场参量的方差水平分别为3.61×10^(-5)、1.84×10^(-2)和2.35×10^(-3)。

光纤Bragg光栅温度和应变传感特性的试验研究

在光纤Bragg光栅传感原理的理论分析基础上,采用保温装置和等强梁结构对其温度和应变传感特性进行了试验研究,并做了试验结果的误差分析。其结果表明光纤光栅的Bragg波长随温度和轴向应变的变化呈现出良好的线性关系,且重复性较好。试验测得的温度灵敏系数升温时约为9.54 pm/℃,降温时约为9.53 pm/℃,理论计算值约为9.72 pm/℃;应变灵敏系数加载时约为1.006 pm/με,卸载时约为1.005 pm/με,理论计算值约为1.011 pm/℃;其试验值与理论计算值吻合得很好。同时介绍了一种简单实用的温度补偿技术,得出了考虑温度补偿后的实际应变与光栅波长的关系式,并采用焊接应力在线监测试验对其温度和应变传感特性的标定值进行了验证,为光纤Bragg光栅在铝合金工程结构中进行温度和应变监测提供了理论依据和试验数据,对光纤Bragg光栅传感测量的工程应用具有借鉴作用和重要意义。

掺Yb^(3+)双包层光纤激光器的实验研究

采用自行研制的掺 Yb3+双包层石英光纤和包层泵浦技术 ,对不同光纤长度的双包层光纤激光器的输出特性进行了实验研究 .对实验中的最佳吸收长度问题做了分析 。

采用WDM技术的光纤Bragg光栅传感网络

采用绝对测量原理的波长调制技术 ,光纤Bragg光栅可组成并行、串行和阵列WDM拓扑结构 分析表明 ,光纤Bragg光栅网络的工作原理类似于一个多宽带平面镜 利用光谱仪可测量上述光纤Bragg光栅网络的反射谱 ,其中 ,光源是宽带为～ 4 0nm的掺饵光纤放大器 当网络中的光纤Bragg光栅受扰动后 ,受扰光栅的反射谱发生相应的变化 ,即Bragg波长发生相应的偏移 结果表明 ,当事先确定了光纤光栅的波长调制范围 ,反射的峰值波长能反应光纤光栅传感网络的信息 值得注意的是～ 3nm的波长调制范围可满足～ 10 0℃和～ 2 0 0 0

新型光纤Bragg光栅锚索预应力监测系统

针对预应力锚索检测的问题 ,在分析预应力传感器研究现状的基础上 ,提出了采用光纤 Bragg光栅传感技术进行锚索监测的新方案 ,详细介绍了光纤 Bragg光栅锚索预应力监测系统的工作原理及主要构成、进行了工程现场与常规的电测技术的对比实验。结果表明 :光纤 Bragg光栅传感器具有高的精度 ,抗干扰能力强 ,结构简单 ,长期稳定性高 ,实现实时。

光纤Bragg光栅应变传感研究

基于光纤Bragg光栅应变传感模型 ,利用泰勒级数展开法 ,将光纤Bragg光栅反射峰中心波长所满足的Bragg方程展开 ,得到了中心波长相对偏移量与应变增量之间的二次解析关系式 ,进而得到了光纤Bragg光栅一阶、二阶应变灵敏度系数的解析表达式 ,计算了一阶、二阶应变灵敏度系数的理论值 ;并将光纤Bragg光栅粘贴在悬臂梁上进行拉伸和压缩 ,得到了与应变对应的光纤Bragg光栅中心波长偏移量 ,通过线性和二次多项式拟合 ,得到了光纤Bragg光栅一阶、二阶应变灵敏度系数的实验值 ;

基于光纤Bragg光栅的局放检测技术

为研究光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)技术用于检测局部放电(简称局放)超声信号的灵敏度和抗干扰性能,在实验室搭建了基于FBG的局放检测系统,对自由微粒放电和悬浮放电2种类型的局放信号进行了检测,并将检测结果与基于压电陶瓷(piezoelectric,PZT)传感器的局放系统进行了对比。此外,针对变电站存在的振动干扰和强电磁干扰,对系统的抗干扰能力进行了对比实验研究。实验结果显示:对于25 p C的自由微粒放电及130 p C的悬浮放电,基于FBG的局放检测系统和传统PZT局放检测系统均可测得明显的信号,前者可以取得与后者接近相同的灵敏度;对于振动干扰的情况,FBG及PZT局放检测系统均会测得明显的干扰信号,但信号的形状完全不同;对于强电磁干扰的情况,PZT局放检测系统会受到明显的影响,但FBG局放检测系统则能完全避开强电磁干扰。综合各项实验结果可得,相较传统PZT局放检测系统,FBG局放检测系统的检测灵敏度几乎一致,但抗干扰性能较优。

双悬臂梁光纤Bragg光栅应力传感器

报道了一种新颖的光纤Bragg光栅应力传感器.理论分析和实验证明了这种传感器Brrag光栅中心波长随应力变化的线性工作区.将光纤Bragg光栅贴于双悬梁的梁端面,在双悬梁的自由端部施加载荷,对光纤Bragg光栅的应力响应特性测试.当所加载荷为300 g时,光纤Bragg光栅中心波长变化了0 .156 nm.从实验上获得了-0 .05 nm/N的应力响应灵敏度.该结构具有应力增敏作用,且应力响应的线性、重复性和迟滞性较好.应力响应灵敏度随着梁的大小以及材料的力学参量的改变而改变.

光纤Bragg光栅传感器在变压器铁芯测温中的应用

影响变压器绝缘老化的主要因素之一是运行时铁芯的温度。铁芯温度越高,绝缘老化越快,变压器寿命也就越短。研制了一种利用光纤Bragg光栅测量变压器铁芯温度的传感器,将套有陶瓷套管的光纤Bragg光栅温度传感器安装在变压器铁芯中柱上轭表面。当铁芯的温度发生改变时,与其接触的光纤Bragg光栅的温度也随之改变,导致光纤Bragg光栅中心波长移位,从而实现对变压器铁芯温度的测量。运行电压为75V和100V的恒定负载实验表明,恒定电压下,环境温度为15℃时,0～105min内光纤Bragg光栅中心波长分别稳定在1552.289nm和1552.299nm,变压器铁芯的温升值分别为17℃和18℃。

基于封装光纤Bragg光栅传感器的混凝土应变监测试验研究

研究了光纤Bragg光栅封装工艺,提出并实现了两种封装光纤Bragg光栅传感器:工字型钢管封装光纤Bragg光栅应变传感器及钢管封装光纤Bragg温度传感器。研究了传感器的埋设工艺,采用金属丝固定法、钢管抽出法两种方法进行了埋设。将它们埋入到钢筋混凝土梁中,实现对混凝土的拉、压应变及温度的测量。结果显示,在试验梁弹性阶段,可以较为准确的监测混凝土应变。

光纤光栅Bragg波长的高斯曲线拟合求法

利用最小二乘法对观测的数据进行曲线拟合,由于保证了离差平方和取得最小,因此少数数据点的干扰对拟合曲线的参数影响不大,各参数值的大小主要取决于整体观测值。将得到的FBG反射谱采样值,采用高斯曲线拟合的方法进行回归分析,通过拟合得到的高斯函数参数值来获得相应Bragg波长值,降低了光噪声对光纤Bragg光栅中心波长测量的影响。

粘接层弹性模量对光纤Bragg光栅传感器应变传递性能的影响

考虑光纤Bragg光栅(FBG)粘接层的材料特性会直接影响FBG传感器的应变测量精度,本文根据粘接层应变传递模型,结合应变传递系数K的表达公式,在确定粘接层结构尺寸参数的前提下,仿真分析了粘接层弹性模量对应变传递系数K的影响。分析结果表明,金属材料的应变传递效率明显优于有机胶的应变传递效率。进行了传递效果评价对比试验,结果表明,铅粘接层的应变传递系数维持在0.98左右,环氧树脂粘接层的应变传递系数维持在0.90左右,前者比后者的应变传递效率提高了约8.9%,显示将粘接材料由环氧树脂改进为铅后,可大大提高应变测量的精度,更加充分发挥光纤器件自身优越的应变测量能力。

提高光纤Bragg光栅波长测量精度的方法

利用一对固定Bragg波长的光栅作为参考,在锯齿波电压驱动下,可调谐滤波器输出的窄带光分别扫描传感光栅和参考光栅,使用高斯寻峰算法计算出参考光栅反射峰值波长对应的驱动电压。在参考波长区间,利用参考光栅的波长准确性高的特点,对滤波器输出波长进行校准,建立滤波器调谐波长与扫描电压的关系。传感光栅的Bragg波长可以通过线性插值求取。温度传感实验中,利用质心法、微分法和高斯拟合法计算光栅反射峰值波长,分别获得±1℃、±0.5℃和±0.3℃测量精度,对应着±10pm、±5pm和±3pm的波长误差。实验结果表明,波长校准和选择好的寻峰算法分别减小了可调谐滤波器波长输出非线性性及波长扫描精度低带来的测量误差。

光纤Bragg光栅压力传感机理研究

对光纤Bragg光栅的压力传感机理进行了理论研究。分析了引起光纤光栅中心波长偏移的各种物理效应,并对几种不同形式压力下各种物理效应所引起的灵敏度系数进行了计算。计算结果表明,纵向和横向压力灵敏度系数相反,屏蔽一个方向可获得较大的压力传感灵敏度;波导效应所引起的应变灵敏度系数都比弹光效应小几个数量级,因此可以忽略。并首次提出在不同方向的压力作用下,弹光效应对应变灵敏度具有不同的贡献。

松散地层深部沉降变形的光纤Bragg光栅监测

为了监测松散含水地层沉降变形，提出了一种在预设钻孔中埋入光纤Bragg光栅传感器网络系统的监测方法．根据光纤Bragg光栅传感原理和矿井地层情况，设计并实现了一个由18个光纤光栅组成的具有特色的光纤Bragg光栅波分复用／空分复用混合阵列，研究了光纤Bragg光栅传感器应变传递规律，通过监测得出了风井松散层应变变化情况，在146～149m的砂砾层和167～176m的黏土层处应变最大，截至2008—05—01最大应变变化量为121．68με。工程实践表明，光纤光栅传感器监测正常，系统稳定，光纤光栅作为应力应变检测使用安全可靠。