低损耗超声波金属化光纤布拉格光栅传感特性研究

传统胶粘式表贴封装的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器在长期使用过程中易出现蠕变、老化等现象,采用性质稳定的金属材料代替高分子聚合物胶粘剂封装可解决上述问题。采用超声波焊接法对FBG进行全覆盖式封装,实现了超低损耗表贴式金属化封装结构,并研究了其温度和应变传感特性。结果表明:采用超声波焊接法进行金属化封装对FBG造成的传输损耗仅为0.04dB,封装后FBG传感器的温度灵敏度系数为26.44pm/℃,应变灵敏度系数为1.18 pm/με,温度和应变传感拟合R-Squared均达到0.9996以上。可见,采用超声波焊接法能够实现结构简单、传感性能可靠的低损耗金属化FBG温度和应变传感器的制作。

基于超弱光纤布拉格光栅的声速测量方法

利用超弱光纤布拉格光栅对振动的敏感特性,提出了一种基于分布式光纤声学传感的声速测量方法。通过测量声速传递过程中不同超弱光纤布拉格光栅传感器接收到声音信号的时差来计算声速。该方法可以测量不同温度下的声速,其测量值与理论值误差小于0.5%。为声速测量提供了新的方法。

光纤布拉格光栅压力传感技术与应用进展

光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器具有水下无源、耐腐蚀、重量轻、成本低和抗电磁干扰等优点,应用广泛。文章简要介绍了FBG压力传感的基本原理,概述了FBG的写制技术、压力传感及增敏技术、温度补偿技术的发展现状,总结了近几年FBG压力传感器在海洋深度、湖泊液位测量、油气管道压力测量和岩土压力监测领域的应用进展,最后对FBG压力传感技术进行了展望。

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。

基于光纤布拉格光栅的套筒灌浆密实度监测方法

在预制装配式桥梁中,钢筋连接套筒灌浆密实度关系到整座预制装配式桥梁的施工质量,更关系到其运营期的长期性能表现。现以钢筋连接套筒为背景,针对套筒灌浆密实度监测方法缺失的现状,引入光纤布拉格光栅法,开展了基于光纤布拉格光栅法的套筒灌浆密实度监测方法的研究。结果表明,光纤布拉格光栅法能够可靠记录灌浆料液面高度的变化,已达到工业密实度监测水准。该方法可为其他类似套筒灌浆施工的监测提供借鉴与参考。

可实现温度降敏的金属化光纤布拉格光栅

针对光纤布拉格光栅(FBG)传感器用于精确测量应力/应变场合时需屏蔽或补偿其温度灵敏性,本文在FBG化学镀Ni保护的基础上加入ZrO2微粒,形成Ni-ZrO2化学复合镀层,既具有金属镀层的保护作用,同时又实现了FBG的温度降敏。经元素分类扫描(EDS)测试,Zr元素的质量含量为30.12%,Ni元素的质量含量为67.87%;经扫描电镜(SEM)检测,复合镀层与FBG传感器结合紧密。对两支Ni-ZrO2化学复合镀保护的FBG传感器进行了多次30～90℃的温度传感实验,相比于化学镀Ni的FBG,其温度灵敏系数平均下降了34.59%。这表明,经Ni-ZrO2化学复合镀保护的FBG传感器具有温度降敏的特性。

基于轴承和柔性铰链的布拉格光纤光栅加速度计

为实现中高频振动信号的测量,本文设计了一种基于轴承和柔性铰链结构的光纤布拉格光栅加速度传感器。首先,基于理论力学模型推导出其固有频率、灵敏度与结构参数的数学模型,然后进行结构优化设计,并制作了传感器实物。在此基础上,对所设计传感器动态特性进行有限元仿真和实验测试。研究结果表明:传感器工作频率为10~1200 Hz,加速度灵敏度达17.25 pm/g,测量误差小于0.3 g,线性度大于0.99,重复性误差为2.33%,且能实现温度补偿。

基于光纤Bragg光栅超声复合检测金属腐蚀与振动状态方法研究

为了实现钢板腐蚀前后及冲击振动状态复合检测,构建了基于光纤布拉格光栅(FBG)超声检测系统。首先分析了基于可调激光光源的光纤光栅的解调原理。在此基础上,实验研究了钢板腐蚀前后的兰姆波信号变化规律,分析了钢板在不同垂直冲击强度撞击下的时频变化特性以及钢板腐蚀前后冲击振动信号的时频变化规律。研究表明:所搭建的光纤布拉格光栅超声检测系统能够有效地实现钢板腐蚀及冲击振动信号的复合检测,通过兰姆波信号的幅值大小及是否有新的频率分量出现,可以准确识别钢板是否遭受腐蚀。冲击信号的幅值变化与冲击大小存在线性关系,同时通过频域分析证明钢板腐蚀后的频率各分量平均呈现出12 Hz右移。

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。

基于光纤布拉格光栅的涡街流量传感技术研究

流量是科学研究及工业生产中的一项重要参数。在众多流量测量仪表中,涡街流量计是一种常用类型。由于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)具有灵敏度高、体积小和抗电磁干扰强等特点,基于FBG的涡街流量传感技术具有重要研究意义。概述了FBG涡街流量传感机理,分析了涡街发生体下游的流体状态与升力变化。从已有研究成果入手,分析提炼了基本型涡街发生体作用下的旋涡属性、涡街信号处理、消除管道振动和小流量测量四个关键性问题。最后,总结并展望了该项技术利用光学方法抑制干扰信号、小口径管道涡街流量测量和FBG传感封装与增敏三个方面,还提出了未来可能发展的研究方向,以期发展新型涡街流量计。

基于光纤布拉格光栅传感的锂电池内部状态原位监测

锂电池内部的应力和温度变化难以监测是影响电池安全运行的最大隐患,提出采用光纤布拉格光栅传感技术,在锂电池内部植入光栅对电池阳极的温度和应力变化信息进行实时采集,实现了对锂离子电池阳极的原位监测,建立了电信号与光学传感信号之间的联系。实验结果表明,锂电池工作循环中,锂离子的脱嵌和嵌入会引起温度变化,对应传感器波长偏移达100 pm,温度上升11.1℃;在排除温度因素的影响后,循环电流的跳变会引起阳极收缩,产生的应力使波长漂移达21.96 pm,约为18.3με。此外,研究了不同充放电速率对电池的影响,10 mA电流比2.5 mA电流时温度提高了2.8倍,应力提高了4.4倍。所植入光栅监测系统既可以高精度地测量电化学反应引起的温度、应力变化,同时解调速度快,有利于实时、准确监测锂电池的热失控及形变鼓包故障,研究结果有望为锂电池的安全使用提供有效的实验依据。

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.

金属直接连接的布拉格光纤光栅应变测量方法

为了简化应变传递环节,提高应变传递的长期稳定性,提出了一种将布拉格光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)器件与被测物利用金属化连接技术直接连接的应变测量方法。提出了金属化直接连接FBG应变测量结构,分析了金属化连接技术的基本原理与技术流程。根据弹性力学控制方程,建立了金属化连接材料优选的应力传递模型,仿真分析了不同金属连接材料对应变传感性能的影响,证明了金属化直接连接方法的理论优越性。利用金属铅作为金属连接材料将FBG固定在一根7 mm的钢丝上,进行了应变传感性能评价试验,试验结果表明FBG输出中心波长与拉力之间存在较好的线性与重复性关系,线性度达到0.999以上,应变传递系数可维持在0.98,该试验结果与理论分析结果 0.982 8较为接近,证明了理论模型与连接技术手段的正确性与可行性,表明金属化连接的FBG应变测量方法具有优越的应变测量能力。

镍金属保护光纤布拉格光栅的热处理及高温传感

为了改善镍保护后光纤布拉格光栅(FBG)的高温传感性能,即降低其回程误差,减少其升温与降温灵敏度的差异,本文研究了产生这些现象的原因,认为其主要源于化学镀结合电镀镍过程中的残余应力。讨论了残余应力产生的机理,提出了适用于镍金属保护FBG的热处理方法。三次将金属镍保护后的FBG放置在120℃恒温炉中保温8h后随炉冷却,对热处理前后的镍保护布拉格光纤光栅进行100～300℃的循环温度传感对照实验。结果显示:热处理前回程误差为6.64%,升温与降温灵敏度有较显著差异,且放置半个月后再次进行传感实验其特性也没有改善;热处理后,回程误差降到3.62%,升温灵敏度为22.84pm/℃,降温灵敏度为22.76pm/℃。实验表明,经适当热处理后的镍保护布拉格光纤光栅的实际工作温度可扩展到300℃,且具有较高的传感精度。

光纤布拉格光栅的半金属管封装及挠度实验研究

本文提出了一种基于光纤布拉格光栅的半金属管封装方案 ,利用标准悬臂梁进行了挠度试验测量 .结果表明 ,用半金属管封装技术可以使光纤光栅感测的实验值更接近理论计算值 .封装后的实验测量值可达到理论值的94 %以上 ,FBG的挠度传感灵敏度约为± 0 .0 2 ,其对称性亦很好 ,线性拟合度分别达到 0 .995 8和 0 .9977.

七芯光纤布拉格光栅温度传感特性研究

基于相位掩模技术在七芯光纤(SCF)中刻写了光纤光栅(FBGs),通过实验对七芯光纤光栅在常温和低温下的温度传感特性进行了研究。结果表明,在30℃~80℃的常温温度范围内,传感器的温度灵敏度为9.98pm/℃,线性度为0.99944。在-60℃~20℃的低温温度范围内,传感器的温度灵敏度为8.77pm/℃,线性度为0.99751。可以看出,七芯光纤光栅对于常温和低温都有比较稳定的响应特性,但是温度降低时,灵敏度降低,线性度变差。研究结果对基于光纤光栅的温度传感研究具有参考价值。

光纤布拉格光栅碳刷温度在线监测系统及应用

集电环系统是发电机励磁系统的重要组成部分,其碳刷和滑环之间存在相对位移和滑动摩擦,是整个励磁系统中最薄弱的环节,故障率高。对碳刷或滑环进行在线温度监测能够及时发现发电机组运行中存在的问题,然而碳刷和滑环的在线温度监测存在测点多且有强电压的难题。采用光纤布拉格光栅温度传感器对碳刷温度进行监测,提出了一种基于碳刷架恒压簧的传感器安装方法,实现了富春江水力发电厂某机组碳刷在线温度监测。该技术可同时应用到发电机组风冷器等场景的在线监测。

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。

基于光纤布拉格光栅的扑翼机器人三维扑动变形测量

仿生扑翼飞行机器人的扑动变形测量对提高其飞行性能非常重要,而现有的数值仿真、立体视觉摄像和结构光投影等测量方法,存在边界条件难以确定、视觉遮挡等问题,因此提出了一种基于光纤光栅的接触式扑翼动态变形测量方法。设计了一种以聚酰亚胺薄膜为基底的光纤光栅柔性传感器,将柔性传感器以阵列的形式布设在扑翼表面监测翼面扑动的实时应变,并基于曲率的三维重建算法将实时应变数据重构为扑翼的实时三维形状。成功监测了一个室内稳定扑动周期内翼面的应变变化情况并开展三维变形分析,结果表明:扑翼扑动时翼面应变主要发生在支撑杆周围,下扑和上扑阶段的应变最大值分别为-50.6με和98.1με;翼面变形主要发生在翼面后缘,下扑和上扑阶段的变形最大值分别为-2.06 mm和4.02 mm。本研究为扑翼动态变形测量提供了技术支持,为提高扑翼机飞行性能提供了科学依据。

布拉格光纤光栅解调技术综述

基于抗干扰能力强且能实现准分布式传感的布拉格光纤光栅传感器,针对与其应用至关重要的解调技术,从高精度解调静态信号和实时高速解调高频信号两个方面进行解调特性综述。从测量领域和软硬件设计两个维度对现有解调技术进行分类,帮助相关人员更好地选择与被测对象匹配度较好的解调技术。