Simultaneous sensing of displacement and temperature with a single FBG

A novel fiber Bragg grating (FBG) sensor with simultaneous sensing of displacement and temperature is presented. The FBG is affixed on the cantilever inclinedly. The midpoint of FBG exactly coincides with the zero strain layer of a rectangular beam. The vertical displacement can be measured by the broadened bandwidth of FBG as the bandwidth is insensitive to temperature, while the temperature can be measured by the center wavelength shift as the wavelength shift is insensitive to vertical displacement. With 0.1 nm spectral resolution of the analyzer, sensitivities of bandwidth-displacement and center wavelength-temperature are 0.48 nm/mm and 0.05 nm/°C, resolutions are 0.2 mm and 2.0 °C, and sensing ranges of displacement and temperature are up to 8.5 mm and 45°C respectively. Experimental results match theoretical analyses very well.     

基于靶式和悬臂梁的FBG流量/温度同时测量研究

提出一种基于靶式结构和悬臂梁结合的新型流量/温度同时测量的光纤Bragg光栅(FBG)传感器。当流体流过传感器,流速的变化引起圆形靶产生应变,应变传递到等强度悬臂梁1上,进而引起粘贴其上的FBG1波长发生改变,而粘贴在悬臂梁2上的FBG2波长不发生改变;流体温度发生变化会引起FBG1、FBG2波长同时发生改变,且波长改变相同;通过测量两光栅的波长,得到流体的流量和温度。在水和蓖麻油实验得到:传感器的流量测量范围分别是400～2200cm3/s和700～1800cm3/s,温度测量范围是0～100℃。     

一种基于光纤布拉格光栅的金属腐蚀传感器

基于钢筋混凝土中钢筋锈蚀膨胀和光纤布拉格光 栅(FBG)应变测量原理,设计了一种新型的FBG金属腐蚀传感器。传感器由FBG腐蚀测量传 感器、FBG温度补偿传感器和带有通槽、凹槽、 通孔的钢筋件组成。FBG腐蚀测量传感器用于测量钢筋锈蚀引起的应变,FBG温度补偿传感器 用于消除温 度交叉敏感特性。钢筋件的通槽用环氧树脂填充后,把腐蚀测量传感器的FBG紧密缠绕在钢 筋件的表面, 并固定在环氧树脂固定点上。温度补偿传感器的FBG经过增敏处理后布置在通孔中。推导了 钢筋锈蚀率与FBG波长的理论计算公式;制作了用水泥砂浆封装的FBG金属 腐蚀传感器;最后在制作的混凝土试件上进行加速腐蚀实验,考核传感器的性能。实验结果 表明,设计的FBG 金属腐蚀传感器能够直接测量钢筋的锈蚀程度,并且具有较大的量程,可实现钢筋 混凝土结构中钢筋的 轻微锈蚀和较严重锈蚀情况监测,适用于建筑、桥梁和隧道等领域钢筋混凝土结构中钢 筋锈蚀的结构健康监测。     

基于FBG的测斜传感器设计与实现

变形监测是进行边坡灾害预警预报的重要依赖手段,为解决当前边坡深部变形监测中存在的不足,研发了一种基于光纤光栅传感技术的测斜仪器。光纤光栅测斜传感器包括刚性单元、柔性感测单元及连接销轴,柔性感测单元为布设有光纤布喇格光栅(FBG)的等强度梁结构,FBG采用在梁表面对称布置的方式以消除温度对测量的影响。边坡内部岩土体变形时,刚性单元随之在连接处发生相对偏转,由柔性感测单元中FBG波长偏移量,利用FBG中心波长与应变、角度的线性关系,得到刚性单元间的相对偏转角度,实现边坡深部变形监测。实验表明,研制的测斜传感器测量单元线性度好,倾角测量灵敏度和分辨率较高,温度造成的误差较小。     

基于弯曲压杆的光纤光栅可调谐线性啁啾化

提出利用镍钛合金压杆弯曲应变引入到光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)实现无中心波长漂移可调谐线性啁啾化方法并进行了实验验证。设计一种镍钛合金压杆结构,理论计算并有限元分析验证了应变分布情况。将光纤光栅粘贴在镍钛合金压杆上,弯曲压杆将线性拉伸与压缩应变引入到栅区,利用光谱仪记录反射谱。实验结果表明,当压杆移动距离达到12.5 mm时,反射谱带宽增大到1.57 nm,中心波长漂移量仅为0.11 nm。利用光纤光栅啁啾化理论,结合传输矩阵法和龙格库塔法实现啁啾光纤光栅光谱重构。实验结果与仿真结果吻合。该方法制作的啁啾光栅可以实现带宽可调谐且基本无中心波长漂移,在光纤传输和传感领域均具有一定的应用前景。     

单个光纤光栅实现对位移和温度的同时测量

结合光纤光栅悬臂梁调谐的特点 ,采用一种新颖的光纤光栅悬臂梁结构 ,将光纤光栅粘贴在悬臂梁和固定端基板的结合处 ,成功地实现了对位移和温度的同时测量。基于光谱分析仪 0 1nm的光谱分辨率 ,实验可得到的位移分辨率为 0 0 8mm ,温度分辨率为 3 1℃ (位移不变时可达 0 73℃ ) ,位移测量范围可达 10 5mm。实验结果与理论分析基本一致     

FBG弯曲传感在滑坡预警监测中的应用研究

针对传统滑坡预警监测技术中存在的自动化程度 较低、测量精度不高,不易对边坡实现大面积和长 期可靠在线监测等不足,研究了采用光纤光栅(FBG)弯曲传感技术用于边坡表面形变及深 部位移测量的 结构原理及具体应用方式。在分析采用简支梁和悬臂梁两种结构实现FBG弯曲调谐原理 的基础上,选择具有不同中心波长的FBG进行串接后,粘贴于弹性杆件PVC管上,实验验 证了利用简支梁和悬臂 梁两种FBG弯曲调谐结构实现边坡表面形变及深部位移进行原理性测量的可行性。实验结果 表明,粘贴在 PVC管上不同位置的FBG的波长变化量与该位置的形变量有着明显的线性对应关系;两种结构 最大形变位 置的FBG测量灵敏度分别为0.245 nm/mm和0.166nm/mm;采用在PVC管两侧对称180°的位置粘贴 FBG的方法,可在提高FBG检测灵敏度的同时,解决FBG温度及应变的交叉敏感问题,消除环 境温度变化对FBG弯曲传感测量结果的 影响。     

基于Pareto多目标优化的光纤Bragg光栅传感网络的波长分配

针对现有波分复用(WDM)的光纤Bragg光栅(FBG) 传感网络的复用瓶颈,运用Pareto多 目标优化理论,建立了基于带宽重叠技术的FBG传感网络优化模型。通过非支配排序遗传算 法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)进化算法求解Pareto 最优曲线,为网络中的每个FBG传感器合理地分配Bragg波长的工作范围,以最小的光谱重叠 程度换取 光源带宽资源的最大节约。仿真和实验结果表明,得到Pareto最优曲线为不同程度的光 谱重叠找到了最优的Bragg波长配置方案,有效地提高了FBG传感网络的WDM能力。     

全同FBG振动传感器在周界安防系统中的应用

为了解决在周界安防系统中基于FBG振动传感器波分复用方式下传感单元数量受光源带宽和解调限制的问题,同时也为了延长周界安防距离、降低系统成本、提高系统效率,提出了"全同光纤布喇格光栅(FBG)振动传感器"的概念,论述了全同FBG振动传感器在周界安防系统中应用的可行性,设计了实验方案,搭建了试验装置并给出了实验结果。实验证明,两个波长基本相同的全同FBG振动传感器接入后的波长灵敏度会有不同程度的损失,实验中6种组合12种连接方式波长灵敏度大于20pm的有10种,实践证明,经过筛选可以达到实际应用的要求,全同FBG振动传感器在周界系统的应用不但可以提高系统的容量,而且使FBG周界系统的成本大大降低,更具市场竞争力。     

FBG-type sensor for simultaneous measurement of force (ordisplacement) and temperature based on bilateral cantilever beam

An improved FBG-type sensor for simultaneous measurement of force (or displacement) and temperature based on the bilateral cantilever beam (BCB) is proposed and demonstrated. The two parts of the beam are subject to opposite forces (or displacements) leading to a red shift for the part of the FBG subject to stretch and to a blue shift for the other one. An FBG bonded to the surface of the middle of the BCB is experimentally demonstrated to have a force sensitivity of ~1.046 nm/N, a sensitivity of the displacement-based strain of ~0.317 nm/mm, and a temperature sensitivity of ~0.190 nm/°C between 0°C and 70°C, respectively     

一种新型温度自补偿的低成本位移传感解调系统

提出一种采用啁啾光纤光栅测定位移的方法.悬臂梁受到应力时引起刚件粘接在悬臂梁上的啁啾光栅反射谱带宽压缩,带宽变化引起光栅反射光强变化,通过测量啁啾光栅反射光强可测定位移.该传感器具有温度自补偿功能,温度变化引起反射谱波长移动但总光强不变.实验结果表明该传感器测量灵敏度达K=1 168/mm.     

一种双梁互补式光纤光栅位移传感器及在地铁隧道变形监测中的应用

本文提出了一种双梁互补式光纤光栅(fiber Bragg grating, FBG)位移传感器,实现了正负双向位移的测量。采用双“悬臂梁+楔形滑块”的结构,当一个悬臂梁受位移作用处于变形状态时,另一个悬臂梁不变形并提供温度补偿功能。传感器处于零值测点状态时,两个悬臂梁处于零弯曲状态,且双梁互为温度补偿,消除了温度影响。通过性能测试实验证明,该传感器在±50的量程内,灵敏度为29.369 pm/mm,测量重复性好。制备出8个传感器应用于某市地铁的变形安全监测,从道床沉降、道床环缝、管片环缝3个方面开展了变形测量。在长期监测期间,传感器工作稳定,被测结构变形状态稳定,表明该传感器具有良好的测量性能,适用于长期的结构健康监测。     

基于人工蜂群优化算法的光谱形复用技术

光纤布喇光栅(FBG)在构成大型传感网络时,由于光源带宽有限会出现光谱重叠的问题.提出了一种人工蜂群(ABC)算法及改进ABC(IABC)算法的解调技术,结合谱形复用技术与IABC算法对光谱重叠中的各个光栅的波长进行识别,并对多个FBG传感系统进行实验仿真与分析.实验结果表明:IABC算法在多FBG传感复用系统中的解调...     

Temperature Compensation for Double Fiber Bragg Grating Sensors

A novel double fiber Bragg grating(FBG) strain sensor configuration is presented. Temperature compensation method is based on double FBG moored on a rhombus frame. Through the theoretical analysis,the relation between relative shift of Bragg wavelength and the strain applied on the sensor is obtained,and the analytical expression of strain sensitivity coefficient is also given. The experiment results show that:in the strain range of 0～0.8 mm,the relation between the relative shift of Bragg wavelength and applied strain is linear,and the dispersion of double FBG wavelength at the range of -25 ℃～60 ℃ is 0～0.002 nm. The strain sensitivity of the displacement sensor configuration is 0.171 nm/με,and is nearly twice than that of single FC sensor.     

FBG应变传感器应用于起重机械的实验模拟

为了测量大型起重机械关键部位的应变,本文设计了一套门式起重机的实验模拟系统,通过实验测得其关键部位的应变,获得反射波长与应变的相关系数,并将所测应变与高精度应变计的测量结果相比较。实验证明,这种FBG应变传感器测得的应变与门式起重机实际的应变很接近,其反射波长和应变具有很好的相关性。可应用于现实工程中起重机械的应变测量。     

一种预张拉大标距光纤光栅应变传感器的研究

研究开发出一种用于大传感标距测量的新型光纤光栅(FBG)应变传感器,提出一种基于预张拉原理的传感器封装方法.分别开发出传感标距为10 cm与20 cm的大标距FBG应变传感器,预张拉稳定性试验结果表明,传感器内的预张拉水平可以保持在一稳定水平.应用等截面梁标定方法研究了该传感器的应变复敏特性,结果显示,传感器布拉格波长与大标足巨内的平均应变具有非常好的线性关系.应用水浴法研究了该传感器的温度灵敏特性,结果显示,传感器布拉格波长与温度具有非常好的线性关系.最后,通过与小标距裸FBG的对比试验研究其测量大标距内平均应变的性能,结果显示,传感器可以准确测量大标距内的平均应变.     

A novel weight measurement method based on birefringence in fiber Bragg gratings

Unlike the usual wavelength modulation principle of fiber Bragg grating (FBG) sensors, a novel weight sensor based on birefringence in FBG is proposed in this paper. The creation of the birefringence is based on the different stresses of the two orthogonal directions in the fiber core cross-section. If weight is applied on an FBG in the radial direction, two reflection spectra with different polarization states which can be observed by an optical spectrum analyzer will occur. An experimental prototype is set up and the measurement principle is described in this paper. Preliminary experimental results indicate that the proposed measurement method is very suitable for the application of heavy weight measurement in the range of 20 tons, especially for vehicle load monitoring in highway charge-by-weight systems. The sensitivity of weight measurement is be estimated to be about 5 kg.     

一种大量程双弹簧式光纤光栅位错计

设计了一种大量程双弹簧式光纤光栅位错计。选 用弹簧作为位移-力转化元件,使光纤布拉格光栅 (fiber Bragg grating,简称FBG)所在基体发生轴向应变进而得到中心波长变化量。理论分 析了FBG位错 计机械结构与基体之间的位移传递关系,给出了位错计的理论灵敏度系数公式。以位移量为 变化参数,对 FBG位错计进行了标定试验并根据数据进行传感器静态特性分析。结果表明,位错计的双向 线性度分别为 2.445%和2.386%;迟滞性分别为 3.385%和1.237%;灵敏度系数分别为34.93pm/cm和31.20pm/cm。该 FBG位错计结构简单、量程大、精度高、抗电磁干扰且可以实现温度自补偿。可应用于恶劣 以及复杂的地下工程结构长期的相对沉降远程监测。     

Optical fiber sensor by cascading long period fiber grating with FBG for double parameters measurement

An optical fiber sensor for strain and temperature measurement based on long period fiber grating (LPFG) cascaded with fiber Bragg grating (FBG) structure has been proposed and realized both theoretically and experimentally. Theoretical analysis shows that two microstructures with similar sensitivities cannot be used for double parameters measurement. The LPFG is micromachined by the CO2 laser, and the FBG is micromachined by the excimer laser. For the validation and comparison, two FBGs and one LPFG are cascaded with three transmission valleys, namely FBG1 valley at 1 536.3 nm, LPFG valley at 1 551.2 nm, and FBG2 valley at 1 577.3 nm. The temperature and strain characteristics of the proposed sensor are measured at 45—70 °C and 250—500 με, respectively. The sensitivity matrix is determined by analyzing wavelength shifts and parameter response characterization of three different dips. The proposed optical fiber sensor based on LPFG cascaded with FBG structure can be efficiently used for double parameters measurement with promising application prospect and great research reference value.     

引入应变灵敏度矩阵的探针形状光纤测量方法

介入探针形状监测技术能够为医生在手术中提供重要参考信息,是保证手术安全性的必要手段。为提高介入探针形状测量精度,文中提出一种引入应变灵敏度矩阵的光纤光栅传感阵列介入探针形状测量方法。首先,基于光纤光栅传感理论,分析了植入在探针中光纤光栅波长漂移量与其应变的关系,同时引入了应变灵敏度矩阵,研究了光纤光栅中心波长漂移量与其弯曲曲率的关系。然后,推导了探针的局部单元几何参数关系和坐标转换方程,建立了基于光纤光栅的探针形状测量模型。最后,为了验证引入应变灵敏度矩阵对形状测量精度的影响,对植入光纤光栅传感阵列的介入探针进行了不同弯曲状态下的形状测量实验,对比分析了引入应变灵敏度矩阵前后形状测量的误差。实验结果表明,引入光纤光栅应变灵敏度矩阵可有效提升介入探针的测量精度,在不同弯曲情况下,介入手术探针末端偏移量平均误差降低了1.385 mm,最大误差降低了3.317 mm。文中所提出的基于光纤光栅传感阵列的形状测量方法在介入手术柔性医疗器械的形状重构方向具有广阔的应用前景。