基于布喇格光纤光栅的电沉积应力演变测试

提出了一种测试电沉积应力演变的方法.其机理为当带金属包层的布喇格光纤光栅为阴极进行电沉积时,在沉积应力作用下,布喇格光纤光栅的中心波长将发生漂移,以此可推知沉积应力的大小.测试中首先利用光纤光栅解调仪记录电沉积应力作用下的布喇格光纤光栅中心波长的偏移量,并将整个沉积时间分成小的时间段;然后依据沉积速度和标定的不同沉积厚度下的布喇格光纤光栅应力灵敏度,计算出每时间段的应力值;最后将各时间段应力累加以获得累积应力随时间的演变.以电镀镍为例,使用涂覆有化学镀镍磷金属包层的布喇格光纤光栅传感器,进行电沉积应力测试,测试表明:当测试镍镀层厚度小于50μm时,传感器灵敏度大于7pm/MPa,准确度大于0.14 MPa;在6 000s的电镀时间内,累积压应力为173.049 9 MPa.

高灵敏度布喇格光纤光栅温度传感器

布喇格光纤光栅(FBG)传感器由于受到自身材料特性的限制,其传感灵敏度较低,如何提高FBG的灵敏度是研究的热点之一。首先理论仿真了具有高热膨胀系数的硅橡胶、环氧树脂和聚二甲基硅氧烷(PDMS)胶3种聚合物涂敷层的FBG,计算了反射谱中心波长偏移量随温度变化的光纤光栅传感温度灵敏度。根据理论分析结果,实验研究了3种聚合物材料涂覆层的FBG的温度传感性能。实验结果表明:具有PDMS材料涂覆层的FBG不仅保持了良好的线性特性,且温度灵敏度可以达到0.0795nm/℃,相对于光栅结构参数相同的裸栅温度灵敏度提升了8倍。

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm^(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10^(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.

用布喇格光纤光栅传感器测定口腔复合树脂材料光固化收缩与温度演化特性

复合树脂材料已成为重要的牙齿美容修复材料.本文利用两种布喇格光纤光栅传感器测定了口腔复合树脂材料在光固化过程中的收缩与温度演化特性.一种为普通的光纤布喇格光栅,另一种为经过了化学镀镍的光纤布喇格光栅,同时埋入复合树脂样品中,用光照射使其固化,测得光纤布喇格光栅在固化过程中温度和应力随时间的演化曲线.实验结果表明,在光固化过程中,因为聚合反应,树脂产生了强烈的收缩应力和温度变化.掌握复合树脂的光固化收缩特性和温度变化特性对不断改良材料性能以及优化口腔材料的治疗效果具有实际意义.

一种光纤布喇格光栅涡街流量传感器

在流量计量领域中,利用光纤传感技术对涡街流量计量的研究较少,故具有重要的研究意义。该文设计了一种悬臂梁式的光纤布喇格光栅涡街流量传感器,其利用悬臂梁自由端振动使光纤布喇格光栅中心波长发生周期性移位,从而测量涡街频率,得到流体流量信息。温度传感测试实验与流量传感测试实验结果表明,该传感器温度灵敏度为17 pm/℃,涡街流量灵敏度为0.01895 Hz/(L·h^(-1)),非线性误差为2.23%。实验验证了该传感器可应用于液体涡街流量计量。

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。

布喇格光栅光纤氢浓度传感器的研究

提出了一种基于钯涂层布喇格光栅光纤的氢浓度传感器方案。金属钯在氢环境中能够吸收一定量的氢并使其体积膨胀,而布喇格光栅光纤在应力的作用下其有效折射率和周期发生变化,导致中心波长偏移,两者结合可实现对外界环境中氢的测量。建立了外界环境氢浓度同钯涂层布喇格光纤光栅波长偏移之间的关系,通过数值分析给出光栅光纤氢浓度传感器在不同氢浓度以及温度环境中波长偏移量,并分析了其特点。

光纤布喇格光栅基模到辐射模耦合分析

根据耦合模理论和辐射模理论对光纤布喇格光栅(FBG)外界材料折射率大于包层折射率的情况下建立了完整的模型。基于自适应Lobatto算法将基模到辐射模的耦合方程组离散化,利用四阶五级的Runge-Kutta法求解基模到辐射模的离散耦合方程组。定量地分析了FBG的透射谱随它的外界材料折射率、长度、周期以及纤芯半径的变化规律。研究结果对于指导FBG设计、封装和将其作为折射率传感器的应用都有一定意义。

基于焦耳热的光纤布喇格光栅电压传感器研究

设计了一种基于焦耳热的新型光纤布喇格光栅电压传感器以用于小电压的精确监测.实验中通过真空蒸镀法在光栅周围镀上一层金属镍,并将光栅密闭封装在充满气凝胶的铜管中.电压传感通过所镀金属镍层在通电过程中产生的焦耳热引起栅区温度升高,导致光纤光栅反射谱中心波长漂移,从而实现电压与光纤光栅中心波长漂移量的变换.实验表明,封装后的直流电压灵敏度达到520pm/V2,并可用于较低频率的交流传感,且系统结构简单、精度高、易于实现.

应用光纤布喇格光栅传感器监测地下管道腐蚀的新方法研究

地下管线工作环境恶劣,腐蚀是引起它破坏和失效的主要原因之一.本文提出了一种应用光纤光栅传感器监测管道腐蚀的新方法.输送石油和天然气等一些物质的管道内部存在的压力会使管道发生膨胀,进而导致管道外壁产生环向变形.假定管道为无限长,管道内部压力导致的管道外壁轴向应变可忽略不计,当管线发生腐蚀时,会导致管壁变薄,管道内部的压力又可以看作基本不变,这样就会增大管道外壁的环向应变.当管道内部压力保持恒定时,管道壁厚与应变之间存在一定的反比例关系,本文方法就是将封装好的光纤光栅传感器粘贴在管道外壁,通过监测外壁环向变形来判断管道腐蚀的情况和程度.通过理论值、模拟值和试验值三者的对比分析来说明了这种新方法是可行的,并且值得被广泛应用,为埋地管道的防灾减灾提供了一种对策.

光纤布喇格光栅应变传感器结构优化研究

提出了一种改进的光纤光栅应变传感器结构,用有限元分析软件对其进行建模和静力仿真,得到其应力分布和光栅区域的应变情况.在整体宽度与厚度相等的情况下,此结构的灵敏度约为传统"工"字型结构的600倍.进一步分析了其关键区域的6个结构参量对应变灵敏度及量程的影响.筛选、设计并加工出不同尺寸的两种应变片,分别用UV胶与玻璃焊料对光栅进行封装,得到灵敏度分别为:249pm/N、330pm/N和1.1pm/N.比较分析表明,本文提供的分析方法与数据,可为不同工程应用场合的最优结构设计提供依据.

光纤布喇格光栅应力增敏理论研究

提出了一种光纤布喇格光栅应力增敏的模型,推导了该模型的应力与光纤布喇格光栅中心波长相对偏移量之间的关系,以及增敏后的光纤布喇格光栅应力响应灵敏度系数的表达式,给出了该增敏模型的弹性模量计算公式,指出通过适当选择弹性体的弹性模量和尺寸,可以提高光纤布喇格光栅应力响应灵敏度。

光纤布喇格光栅器件应力疲劳评价理论研究

光纤布喇格光栅器件应力疲劳特性严重影响着光纤光栅应变传感器的长期可靠性,为了评估光纤光栅器件的应力疲劳特性,分析了光纤光栅应变传感器的封装结构对疲劳评价的影响,并以表面直接粘接的简化模型评估了光纤光栅器件的应力疲劳特性.从简化模型的基本力学与光学特性出发,提出以光谱特性的边模抑制比和带宽作为评价光纤光栅器件疲劳的指标体系,以传感特性的灵敏度、线性度和应变传递效率作为评价粘接层疲劳的指标体系.设计了基于等强度梁的光纤光栅器件加速疲劳实验,疲劳的应力幅度为500微应变,频率为18赫兹;1000万次疲劳实验后,三支光纤光栅的带宽平均增加2.07%,平均应变传递效率和平均灵敏度分别下降4.5%和3.9%,实验结果说明提出的指标体系能有效地区分粘接层和光纤光栅的疲劳,从而验证了该评价理论的可行性.

不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析

对光纤布喇格光栅反射谱的三种寻峰算法(三次样条插值数值微分法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法)进行了分析和比较;相同采样情况下,得出了高斯拟合法确定的峰值准确度最高的结论;采样点数为250的均匀采样中,三种算法寻峰结果对实际值的误差分别为:3.4pm、13.0pm和2.6pm.引入了非均匀数据采集的寻峰思路,分别应用三种寻峰法对实际光栅的反射谱分别进行均匀采集和非均匀采集.结果表明,对于相同寻峰方法在非均匀数据采集下获得的峰值更精确,采样点数为250时,高斯拟合法寻峰时非均匀采集对应的误差比均匀采集减少了38.46%.

温度对光纤布喇格光栅化学传感器性能的影响

阐述了光纤Bragg光栅化学传感的基本原理,推导并利用数值计算得出了腐蚀掉包层后的光纤Bragg光栅的纤芯有效折射率随外界折射率变化的关系.分析了温度对这种传感器造成的误差.研究表明,温度会造成光纤光栅变化和改变溶液折射率的大小,从而对传感器的测量造成影响.设计了一种温度补偿方案.实验分别研究了低浓度溶液和高浓度溶液中传感头两段不同光栅区的Bragg波长随温度的变化.结果表明:在清水中,传感头两段光栅区Bragg波长受到温度变化的影响基本相同,通过测量波长的差值可消除温度的影响;高浓度溶液中,传感头受温度影响造成的总波长漂移量约为未被腐蚀光栅区的波长漂移量的0.6,与理论的结果基本一致.传感头受温度影响造成的总波长漂移量可由未被腐蚀光栅区波长漂移量的大小得出,进而可消除温度对溶液传感的影响.

光纤布喇格光栅海水温度深度检测系统研究

海水的温度、深度是其重要的物理参量,为了更安全、准确地监测海水的温度和深度,针对目前海洋温度和深度检测大都采用电信号检测,探头在水中安全性欠佳的不足,利用光纤光栅传感探头为全光学器件、水中安全可靠、易于组成传感器网络进行剖面检测的优点,提出一种基于光纤光栅的海水温度、深度检测系统,阐述了其检测原理,进行了系统及传感探头的设计和研制。结果表明,传感器温度和深度检测的线性度很好,达到0.9999,为海水温度深度检测提供了一种新途径。

基于光纤布喇格光栅传感器的精密位移测量

首先对光纤布喇格光栅传感的基本原理进行了分析,并给出了光纤光栅位移传感的基本公式.在此基础上,设计制作了一种光纤光栅位移传感器.采用光纤光栅作为传感元件,利用多波长计进行波长检测,对位移量进行了传感测量.实验中,传感器位移检测范围为0.6mm,其传感测量精度为±43nm,测量分辨率为1.5nm.实验结果具有良好的线性度.

锚头植入式应变均化光纤布喇格光栅测力传感器

将整个光纤布喇格光栅栅区的非均匀应变简化为多个受到均匀轴向应变光纤光栅基元的级联作用,仿真分析了锚头典型锚固深度非均匀应变对光纤布喇格光栅输出光谱的影响,结果表明明常规光纤布喇格光栅无法适用于斜拉索锚头内部轴向非均匀应变测量.为了克服非均匀应变对光纤布喇格光栅应变测量效果的影响,提出了利用毛细管对光纤布喇格光栅栅区进行应变隔离的新型应变均化传感器结构,并对传感器的测量原理与力学特性进行分析,得出毛细管材料与壁厚选型的基本公式.利用碳纤维复合材料作为封装材料,试制出应变均化FRP-OFBG测力传感器,并进行了力学拉伸试验.试验结果表明该传感器具有良好的应变传感性能,且测量量程、刚度满足测量要求.将两只传感器植入试验缆索进行实索张拉试验,缆索张拉过程中,同步监测的光纤布喇格光栅输出光谱未受锚头非均匀应变影响,说明利用毛细管对锚头应变均化的传感器结构方案可行,且光纤布喇格光栅反射谱中心波长与缆索张力呈较好的线性关系,说明锚头植入传感器与锚头结合良好,测力功能满足索力测量需求.

光纤布喇格光栅非线性特性的研究

利用单边边界条件下的差分法求解非线性光纤光栅耦合模方程,在此基础上分析了光纤光栅中克尔非线性效应对光栅频谱特性的影响,分别讨论了短脉冲在均匀和切趾光纤光栅的线性工作区和非线性工作区的传输特性。结果表明,在合适的条件下,光纤布喇格光栅可以用于光开关器件。

一种基于光纤布喇格光栅振动传感器的光纤围栏入侵监测系统及其模式识别

基于高灵敏度光纤布喇格光栅振动传感器,提出了一种光纤围栏入侵监测系统及其模式识别方法.该方法通过具有自适应动态阈值的时域统计特征提取算法对异常事件信号进行特征提取,将特征矢量输入到一个基于三层BP神经网络而设计的分类器中对目标事件进行识别和分类.通过仿真目标信号和实际采样数据进行测试,对系统的报警识别率进行了验证,结果表明:对于仿真信号,系统的平均正确识别率达到了100%;对于实际采样数据,系统的平均正确识别率可以达到96.83%.