基于边缘滤波法检测的光纤光栅声波传感研究

针对裸光纤光栅在声波作用下的应变灵敏度过低导致难以检测到有效反射波长变化的问题,文章提出以光纤光栅纵向传感为模型,并在光栅周围涂上一层厚度远超光纤内径的低杨氏模量圆柱状涂覆层,以增加光纤光栅的应变灵敏度,并用相移光栅反射谱的线性区作为边缘滤波法边缘来提高激光检测的灵敏度,利用传输矩阵法仿真分析光栅反射谱及激光反射率曲线。仿真结果表明,声波纵向传感模型的应变灵敏度要优于横向传感模型,且低杨氏模量的涂覆层可以显著提高光栅的应变灵敏度,在频率低于1.7 kHz的声波作用下,涂有聚氨酯涂覆层的光纤光栅纵向传感灵敏度达到了6.1 nm/MPa,是裸光纤光栅的381倍,结合相移光栅反射谱线性区综合灵敏度提升2203.6倍,有效地提升了光纤光栅在声波检测方面的灵敏度。

基于线性啁啾光纤光栅点式横向应力传感研究

线性啁啾光纤光栅受到横向应力作用时会产生轴向展宽.当作用线度即光纤光栅受力区域长度与光纤直径相当时,该展宽不能忽略。基于空间弹性力学受力分析,可得到其轴向展宽导致的相移。该光栅光谱中产生的透射峰位置与该相移的大小和位置有关.同时,横向应力会导致双折射现象.综上所有因素,建立了利用斯托克斯参量(Stokes parameters)实现小线度作用区域即点式横向应变传感的理论模型。计算与实验结果表明:线性啁啾光纤光栅在点式横向应力条件下,应力大小在弹性限度范围内与Stokes-s1参量峰值呈线性变化关系。Stokes-s1参量谱峰波长与横向应力作用位置相对应,且与应力大小有关。通过分析透射谱的Stokes-s1参量,可实现对横向应力大小和位置的传感。

对称熔融拉锥型光纤光栅温度和应力传感特性

锥形结构的光纤光栅具有对应力敏感而对温度不敏感的特性,这可以有效抑制温度与应力的交叉敏感问题.提出一种利用熔融拉锥技术实现对称双锥形结构的光纤光栅,结合传输矩阵法建立其传感特性理论模型并加以分析.首先研究影响啁啾系数变化的因素,得到啁啾系数与光栅长度变化量的关系;其次对对称熔融拉锥型光纤光栅的光谱特性进行分析,讨论光谱短波长处出现密集调制现象的成因;然后仿真研究温度和应力对对称熔融拉锥型光纤光栅的反射谱影响,得到对应的中心波长和光谱宽度的变化关系.并针对应力灵敏度较低问题,提出聚合物涂覆锥区增大传感锥区光纤半径差而进行增敏的方案,利用熔融拉锥法制备对称熔融型光纤光栅,通过实验验证理论仿真的正确性,对称熔融拉锥型光纤光栅应力灵敏度为0.11391 nm/N.研究表明,对称熔融拉锥型光纤光栅的啁啾系数与光栅长度变化量满足线性关系.对称熔融拉锥型光纤光栅端处光栅周期较小,且反射率小于1,左边透射光与右边反射光会产生干涉,因此光谱短波长处会出现密集调制现象.随着轴向应力的增大,光栅反射中心波长向长波方向移动,光谱宽度变大,且两者与轴向应力均满足线性关系;随着温度升高,反射谱峰中心波长向长波方向移动,满足线性关系,而温度对光谱宽度的影响可忽略不计.通过增大传感锥区光纤光栅半径差,光纤光栅的应力灵敏度较之前提高了数百倍,并且增大光栅长度变化量有助于进一步提高应力灵敏度.对称熔融拉锥型光纤光栅的光谱宽度只对应力敏感而对温度不敏感,这一特性可用于实现温度与应力双参量测量.