保偏光纤光栅温度传感性能的实验研究

在经过氢敏化处理的保偏光纤上制作了中心波长在1300 nm窗口的光纤布拉格光栅,并对这种保偏光纤布拉格光栅的温度传感特性进行了实验研究与理论分析。结果表明这种光栅可以用作温度传感器,对温度进行测量。和普通的标准单模光纤布拉格光栅一样,它对温度的响应具有很好的线性关系。本实验结果还可以作为对保偏光纤光栅传感特性进一步深入研究的参考。

密集切趾光纤光栅阵列制备及其准分布温度传感的实验研究

针对小范围热源温度探测的需求,在线制备了密集切趾的光纤光栅阵列,采用光波长时域反射解调技术和光时域分段解调技术对切趾光栅阵列传感网络信号进行解调,实现了对小范围热源温度变化的精确测量。模拟了高斯切趾光栅的旁瓣抑制效果,结果显示高斯系数G=4时,可获得较好的谱型和较高的旁瓣抑制比。采用在线光栅阵列制备系统制备了旁瓣抑制比为20.74 dB的密集切趾光栅阵列,温度实验结果显示,传感网络的时域分段精度可达1 m,空间分辨率可达10 cm,温度灵敏度为10.15 pm/℃。该系统可应用于电缆廊道、地铁等环境下的小范围热源温度探测。

光纤光栅压力传感器实验研究

介绍了一种新颖的光纤布喇格光栅压力传感器,这种传感器将光纤光栅粘贴在圆柱形细杆的侧面,同时通过光纤光栅解调仪监测光栅布喇格波长的漂移。实验表明,该光纤光栅压力传感器具有良好的灵敏性、线性和重复性,且有较快的响应速度。将实验测量数据与理论值进行了比较,两者差别很小。

应用于光纤传感网络的热电发生器设计与研究

研制并测试了用于光纤海底地震传感网络节点的热电能量收集系统。基于碲化铋热电材料,制作了用于光纤传感器的热电发生器(TEG),建立了热电模型并进行了验证。提出了一种将TEG输出的能量收集并利用的能量管理电路。详细介绍了该系统的设计思想、电路原理图和模拟水下环境实验。实验数据表明:所制作的TEG能够以2.67%的效率将热能直接转换成电能,设计的能量管理电路能够以23.09%的效率将电能收集并利用。该研究结果对延长光纤海底节点工作时间、增加系统可靠性有重要意义。

基于拍频解调边孔光纤光栅传感系统研究

针对边孔光纤光栅传感器在井下高温高压环镜波长扫描分辨率低的问题,对传统拍频解调的传感光路进行改进,设计了一种适用于井下环镜的基于激光拍频的边孔光纤光栅压力传感系统,可以在井下进行长距离传感,有效的提高了其分辨率。并且结合自注入锁定技术,与传统拍频解调光路把激光器作为传感器不同,将传感器和光纤激光器分离,便于应用于井下环境。系统使用线性啁啾光纤布拉格光栅作为色散补偿单元和激光器一侧的反射镜,将光纤光栅由于压力引起的波长变化转变为谐振腔的腔长变化,提升了系统的检测灵敏度。解释了所用方法的结构和测量原理,分析和计算了测量的结果和精度。实验结果表明,该系统具有较高的灵敏度和测量精度,压力灵敏度为0.12553 MHz/MPa。所提方法具有解调系统简单,稳定性好,传感距离可调等优点。

基于光纤传感器的热致振动实验研究

大多数航天器在运行期间受到冷热交变作用时会发生振动,导致航天器不能正常工作甚至损坏.目前针对这种业内称为热致振动现象的理论研究较多,实验研究较少,这主要是因为缺乏高精度的测量手段.本文基于常见的热致振动模型,搭建了柔性吊杆的结构,分别利用光纤光栅应变传感器和光纤法布里-珀罗加速度传感器对其热致振动特性进行了测量.实验结果表明,柔性吊杆在热源的辐射下发生了热致振动现象,光纤光栅应变传感器和光纤加速度传感器获得的柔性吊杆应变和加速度与理论分析一致,本文所述光纤传感器能在不影响结构特性情况下准确测量热致振动.

基于温度补偿方法去敏的新型光纤光栅压力传感器

本文阐述了一种带温度补偿、基于平面薄板结构的新型光纤光栅压力传感器。作为弹性体的压力敏感薄板,其硬心通过一L型刚性位移传递机构拉动压力敏感FBG;温度去敏通过被动温度补偿和残留温度效应实时修正来解决。传感器性能指标测试如下:重复性0.066%FS,回程误差0.846%FS,线性度0.102%FS,传感器精度±0.591%FS;在–30℃到+80℃范围内,传感器零点漂移为+1.7208%FS,灵敏度漂移为+0.0104%FS,传感器温漂为+1.7312%FS。

基于匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器研究

采用双悬臂梁结构,研制了基于匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器,可通过悬臂梁对匹配光栅静态工作点进行精确调整.该传感器集振动传感和动态波长解调于一体,并具有温度补偿功能.对传感器的工作原理进行了理论分析,通过与压电式加速度传感器进行的比较实验,得到了一致的实验测量结果.

基于光纤光栅振动传感器的桥梁索力实时监测

将研制成功的光纤光栅振动传感器以及桥梁索力实时监测系统应用于武汉长江二桥进行索力长期远程实时监测.光纤光栅振动传感器输出的信号可在光纤中进行远程传输,能在任何气候条件下长期稳定工作,适合于桥梁拉索索力的长期远程实时监测;开发的桥梁索力实时监测系统软件,具有拉索特征频率自动识别能力,可以实时进行索力计算.通过对武汉长江二桥拉索索力的实时监测,得到了桥梁索力的分布及其运行状况,为桥梁安全评估提供了可靠的依据.该系统可推广应用于其他大型斜拉索桥.

两种封装的光纤光栅温度传感器的低温特性

介绍了光纤光栅（FBG，Fiber Bragg Gratings）温度传感器的两种封装形式。推导了两种FBG温度传感器的温度敏感因素并进行了实验验证。实验研究了两种FBG温度传感器在-70～0℃的中心波长低温变化特性，比较了相同条件下两种FBG温度传感器的实验结果。结果表明：细不锈钢管封装的FBG温度传感器的中心波长在-60℃时发生了突变，急剧下降；而镀金FBG温度传感器的中心波长在-70～0℃随温度线性变化，重复性较好并且几乎没有迟滞现象。两种传感器在线性变化区间的温度灵敏系数KT分别为28．2pm／℃和21．3pm／℃，分别是裸光纤布拉格光栅的3倍和2．3倍，它们的线性拟合度都超过0．999。

一种新型的光纤光栅高频加速度传感器

提出了一种新型的高频响应光纤光栅加速度传感器,并进行了理论分析和实验研究。传感器由钢管、质量块组成弹性系统,将光纤光栅粘贴于钢管内部来感知应变,利用双光纤光栅匹配滤波解调技术,直接输出光强度信号,取得了谐振频率3232Hz、线性测量范围0.1～4g、线性灵敏度669mV/g的较好结果。

带温度补偿基于薄壁圆筒结构的光纤光栅压力传感器

阐述了一种带温度补偿、基于薄壁圆筒结构的高量程光纤光栅(FBG)压力传感器.薄壁圆筒直接作为弹性体,在压力作用下产生轴向位移来拉动压力敏感光纤以实现压力传感;通过被动温度补偿和残留温度效应主动实时修正来共同消除薄壁圆筒和压力敏感FBG的温度漂移;同时,对带温度补偿的FBG压力传感器的温度稳定性进行了讨论,给出了理想情况下该系统可达到的最优温度稳定性及决定因素.研究结果表明:基于30CrMiSiA材料管道结构的FBG压力传感器可以进行压力传感,其重复性为0.505 2%;回程误差为4.006%;线性度为0.285 5%;传感器精度为±2.639 8%;基于温度补偿进行温度去敏也有很好的效果,在-30～100℃范围内,该系统的温度稳定性因子为9.079 6%;随着实验温度范围减小至0～60℃,系统温度稳定性因子也减小至4.0%.

基于大规模光栅阵列光纤的分布式传感技术及应用综述

光纤布拉格光栅传感技术因其具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小及易复用等特性而广泛应用于恶劣环境的温度、应变及振动等物理量检测。基于在线光纤拉丝塔的大规模光栅阵列光纤制备方法的实现,突破了传统光纤光栅分布式传感技术受限于机械强度和制备工艺复杂的限制,大大拓展了其在分布式传感领域的应用。本文系统地介绍了大规模光栅阵列光纤的制备、分布式解调方法与应用进展,从大规模光栅阵列光纤的在线制备技术,以及基于该阵列光纤的分布式传感解调技术,包括准静态波长解调技术、高速波长解调技术以及增强型动态相位解调技术等,特别关注解调速度、空间分辨率、复用容量等关键技术及传感性能。同时还介绍了基于大规模光栅阵列光纤的应用包括温度、应变分布式的准静态应用领域,以及振动分布式的相位动态应用领域等,包括大型建筑、机械、航空航天、石油化工等诸多领域的安全监测、故障诊断等工程应用方面。

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InGaAs光谱成像技术的光纤光栅传感器在大坝渗流监测系统的应用

为了实现大坝渗流监测,提出了一种采用光谱成像技术的光纤Bragg光栅传感器和多点传感系统。基于室内实验结果,对监测系统可靠性与监测数据准确度进行和多点传感信号分辨因子分析,结果表明:用于坝体温度场检测的光线光栅传感器波长温度响应灵敏度可达0.009 1nm/℃;由光源带宽决定的测试系统可实现多个传感器的复用。实践表明:采用光纤光栅传感系统可进行大坝渗流自动监测,特别是在系统防雷击、抗干扰性方面,与传统仪器相比具有明显优势。

基于膜片的光纤布拉格光栅压力传感器的研究

理论分析了光纤布拉格光栅的压力传感特性,给出了光纤布拉格光栅的中心波长与压力的关系以及压力灵敏度系数的表达式,并将光纤布拉格光栅纵向粘贴在白行设计型号为ZXYC01的平面膜片上进行了压力实验。实验结果表明光纤布拉格光栅压力灵敏度系数46 pm／MPa左右,其测量精度为0．5％F．S,而理论的压力灵敏度系数为51 pm／MPa左右,实验值和理论值基本相符,它们分别是裸光纤布拉格光栅压力灵敏度系数的23和26倍。同时发现光纤布拉格光栅的中心波长与压力变化有着良好的线性关系和很高的相关系数并且迟滞现象较小。

一种光纤光栅振动传感器的金属化封装方法

文中研究了一种光纤光栅振动传感器的金属化封装工艺,包括光纤光栅的表面金属化工艺和激光焊接封装工艺.首先通过磁控溅射法对光栅及端头光纤进行预镀银,然后用电镀法镀镍,再通过激光焊接将镀镍的光纤光栅封装到传感器结构上.通过对传感器性能的测试,检验了金属化封装的效果.与采用环氧胶封装的传感器的性能进行了比较,结果表明,金属化封装的光纤光栅振动传感器谐振频率为1 495 Hz,增加约50%;加速度灵敏度下降15%,约为60 m V/ms^(-2),线性测量范围增加约20%,达12 m/s^2;重复性误差小于4.7%;双光栅的匹配状态不随环境温度变化而变化.结果表明,采用的光纤光栅金属化封装方法可行,且有利于提高光纤光栅传感器的传感性能和长期稳定性.

光纤布拉格光栅传感复用模式发展方向

系统分析讨论光纤布拉格光栅传感复用模式,通过研究波分复用、时分复用及空分复用模式的发展历史和现状,抽象出典型结构,建立数学模型,并总结出工程应用概况;通过分析波分复用、时分复用及空分复用模式的技术瓶颈,找出复用模式的改进方式,即3种经典复用模式的联合复用和复用结构系统的改进。最后,通过总结光纤光栅传感复用模式的发展,构建复用设计的体系结构。提出基于光纤布拉格光栅传感器实时数据提取的数字设计工程将是数字制造的一个重大科学前沿,提出光纤光栅传感复用模式的发展方向,即实现分布式传感系统、构建大规模传感网络和建立统一机理模型。

基于光纤光栅传感的模压腔内压强分布式测量

针对模压腔内压强分布式测量的需要,研制了等强度梁结构的光纤光栅压强传感器.该传感器的波长改变量与压强之间的线性度达到0.999 92.将六个研制的微型光纤光栅压强传感器镶嵌于模具内部,通过圆柱形刚性金属杆传递压力,实现了模压腔内部多点压强分布式测量,取得了很好的实验结果.实验研究了粉末状材料挤压成型过程中模压腔内压强的分布以及变化规律.

用于周界安防的光纤光栅振动传感器的研究

根据光纤布喇格光栅(FBG)耦合理论与单质点弹性绳振动原理研制出了一种FBG振动传感器。通过理论分析与试验验证得到FBG传感器的最佳配重尺寸(4.5mm×20mm)、最佳预拉伸量(0.8～1.2nm)与最佳的封装方式(石英玻璃管封装),得到传感器最佳的受温度影响最小的灵敏度参数。这种传感器响应速度快,灵敏度高。温度在-10～60℃的范围内,石英封装的FBG传感器灵敏度的误差小于0.1%。可以广泛地应用于军事基地、核场所、机场、仓库、监狱、建筑等场所的安防系统中。