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。     

光纤光册中光弹效应的研究

在使用相位掩模板技术写入光纤光栅（FBG）时，观察到，当夹固光纤的张力不一样时，光栅写入时所监视到的布喇格波长也不一样，利用这种现象，直接探测了FBG中的光弹效应，通过对实验数据的分析计算发现，光纤的有效应变光系数不是常数，而是随着光纤轴向应变的增大而略微增大，这和通常的说法不一样。     

基于Labview的光纤光栅波长解调系统

提出了一种基于Labview的数字化光纤光栅信号解调系统,实现了光纤光栅应变传感波长解调.采用Labview编写程序实现信号的实时采集、处理、显示,解决了普通光纤光栅解调设备成本高,体积大等难题;进行了基于上述系统的光纤光栅应变传感实验研究.实验结果表明,反射谱线中心波长漂移量与轴向应力具有很好的线性关系,当应力达到60με时,光纤Bragg光栅(FBG)对应的波长漂移量约为1.90 nm.     

液氮温度光纤Bragg光栅的应变传感特性

对光纤Bragg光栅(FBG)液氮(77 K)下的应变传感技术及应变特性进行了研究.实验和分析表明:常温下FBG反射谱中的单个中心峰在低温下会劈裂为多峰,它产生于光纤、粘贴胶和金属基底热膨胀系数间的差异引起的强烈非均匀热弹性应变,使常温下均匀的光栅变啁啾化.建立了多种技术手段,成功消除了低温多峰现象,并测得了FBG低温和常温下的应变传感特性.实验结果表明:FBG的应变灵敏系数与温度无关.     

基于光纤光栅的双壁开口模型管桩测试技术研究

针对光纤光栅传感器在模型管 桩试验应用情况, 提出了一种光纤光栅传感器理论灵敏度系数和实验灵敏度系数应变标定方法。结合理论分析 ,在封装FBG 应变传感器前,对模型管桩内、外管进行有限元Abaqus应力分布模拟分析,得到双壁开口模 型管桩对封装 FBG应变传感器没有影响,提高了实验应变测量精度。对模型管桩封装后的FBG应变传感器进 行标定实验, 每次按200逐级加载后并卸载,循环加载5次,得到内外管FBG传感器 应变灵敏度系数分别为2.15 pm/με、2.24 p m/με,且线性度 均达到0.999以上。该方法简单、易操作,可用于光纤光栅应变传感 器在模型管桩试验前的标定,为光纤光栅传感器在试验和工程中应用奠定了基础。     

FBG轴向非均匀应变分布的遗传规划重构方法

针对现有的光纤Bragg光栅轴向非均匀重构方法需预先对应变分布形式做假设而实际结构中应变分布是任意的这一问题,基于新兴的遗传规划(GP)算法,提出一种重构FBG轴向非均匀应变分布的方法,利用GP自动设计并优化应变分布的函数表达式,使应变重构的空间分辨率可以达到任意值。多种应变分布形式下的应变重构仿真结果表明,GP方法可以有效地进行光栅轴向非均匀应变分布的连续重构,精度和计算效率较现有方法有明显提高。     

改进剥层法实现FBG非均匀应变传感解调

剥层法是重构光纤Bragg光栅(FBG)参数的常用方法,利用剥层法可以解调FBG非均匀应变。常规剥层法获得的FBG复耦合系数存在误差,为提高非均匀应变解调精度,提出基于剥层法的复耦合系数幅值修正改进方法。新方法在剥层求解当前层复耦合系数后,保留耦合系数相位,对耦合系数幅值进行修正,构成新的复耦合系数用于下一层反射谱的剥层求解。给出了改进算法求解非均匀应变的详细步骤和过程,并进行了仿真实验研究。利用传输矩阵法模拟仿真无应变、应变线性增大、应变线性减小以及二次曲线应变下的FBG反射谱,分别使用常规方法和改进的方法对各反射谱进行应变解调。结果表明:改进的方法获得的应变结果与理论应变有更高的一致性;不同理论应变下,改进的方法获得应变最大误差均值约为原始方法的1/5,均方根误差的均值约为原始方法的1/7,改进的方法解调误差远小于原始方法。     

消除温度对应变测量的影响

提出了用光纤布喇格光栅( FBG)传感器测量光纤有效弹光系数的方法。利用光纤布 喇格光栅的性质,建立了一个可以有效地解决温度与应变对光栅存在交叉敏感的问题实验系统。实验结果表明,该系统能有效地测出了光纤的有效弹光系数,而且测量误差小于1. 3%。     

强光致光纤布拉格光栅光谱特性变化机理

强光致光纤布拉格光栅(FBG)光谱的变化是由非线性效应和光热效应共同作用的结果。基于FBG传感模型,利用非线性薛定谔方程和一维稳态热传导方程分析了非线性效应和光热效应各自对于光谱变化的贡献比例。通过分析波长漂移量与相位改变的关系,建立了基于FBG的非线性折射率系数计算模型;通过理论仿真光纤内温度分布情况,分析了光热效应对光谱啁啾化和波长漂移量的影响。理论与实验研究结果表明,对于普通单模光纤,当注入抽运光功率较小时,FBG光谱的变化主要是由光热效应造成的,而非线性效应则贡献较小。     

基于多重曝光法的多波长FBG制备和实验研究

利用扫描曝光法,通过控制曝光前施加在光纤上的拉力,经过多次不同拉力状态下的光刻技术,实现了多波长光纤Bragg光栅(FBG)的制作。实验发现,多重曝光的子FBG位置和叠加程度对子FBG的谱形有很大的影响,只有当各层子FBG长度、位置完全重叠时,各波长光谱才不会受到短波振荡的影响;对载H增敏光纤,第n+1层子FBG的刻写,总会使前面n层子FBG的波长变大,反射率变强;而对掺Ge光敏光纤,多重曝光只将先制作的子FBG波长变大,而所有子FBG反射率都会变弱。通过合理设计曝光量,在载H单模光纤上制作了阻带谱形一致的四波长FBG。经实验测试,子FBG波长具有相同的温度系数和应变系数。     

光纤Bragg光栅应变传感研究

基于光纤Bragg光栅应变传感模型 ,利用泰勒级数展开法 ,将光纤Bragg光栅反射峰中心波长所满足的Bragg方程展开 ,得到了中心波长相对偏移量与应变增量之间的二次解析关系式 ,进而得到了光纤Bragg光栅一阶、二阶应变灵敏度系数的解析表达式 ,计算了一阶、二阶应变灵敏度系数的理论值 ;并将光纤Bragg光栅粘贴在悬臂梁上进行拉伸和压缩 ,得到了与应变对应的光纤Bragg光栅中心波长偏移量 ,通过线性和二次多项式拟合 ,得到了光纤Bragg光栅一阶、二阶应变灵敏度系数的实验值 ;各阶应变灵敏度系数的理论值与实验值吻合得到很好     

Topology and shape optimizations of substrates for chirp fiber Bragg grating spectrum tuning

A systematic method based on topology and shape optimization techniques has been developed to determine the geometry of a substrate for chirp fiber Bragg grating (FBG) spectrum tuning. The strain distribution on the FBG associated with a given wavelength spectrum is synthesized first by the application of a genetic algorithm. Then the substrate profiles determined either from topology or shape optimizations can generate the required strain distribution on FBG that responds to the required wavelength spectrum of a chirp FBG. The profile obtained from shape optimization, compared with that from topology optimization, has clear advantages in easier manufacturing and better liability. Although the strain distribution of a chirp FBG demonstrated here is simple in this study, it should be emphasized that this methodology also can be easily applied to determine other substrate profile whose strain distribution is regarding to a more complex wavelength spectrum of an FBG.     

非均匀应变场中光纤布拉格光栅的数值分析

当非均匀应变场作用在光纤布拉格光栅（FBG）上时，由于FBG周期和有效折射率在沿FBG长度方向都为变量，所以会导致光谱形状的变化。采用耦合模理论和龙格库塔的方法可以准确地分析非均匀应变场中的FBG光谱特性，其缺点是收敛速度慢；而传输矩阵法虽然可以大大提高收敛速度，但是由于忽略了非均匀应变场的变化梯度，在分析变化率较大的非均匀应变场时与龙格-库塔方法相比准确度较差，通过改进适用于分析非均匀应变场的FBG等效周期，既保留了传输矩阵分析FBG的快速收敛性，又保证了分析准确性。     

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.     

Novel simulation method for fiber Bragg grating under inhomogeneous strain fields

The spectra of fiber Bragg grating （FBG） in inhomogeneous strain fields are distorted due to its inhomogeneity of both the periods and the effective refractive index. The couple mode theory and the Runge-Kutta method can be employed for exact simulation of the spectrum of Bragg grating in such field, but the convergence speed is slow. On the other hand, although the transfer matrix method could be used with higher convergence speed, the precision is poor because of the neglect of the grads of strain change. By improving the FBG equivalent period, a novel simulation method based on a modified transfer matrix method is proposed, which has the advantage of quick-convergence as well as good accuracy.     

Spectra of fiber Bragg grating and long period fiber grating undergoing linear and quadratic strain

The effects of linear and quadratic strain on the reflective spectrum of FBG and the transmission spectrum of LPFG have been numerically investigated based on the coupled -mode equations. The results show that for the FBG or LPFG undergoing only linear strain, the reflection or transmission spectrum is symmetrical about its central wavelength, the dependence relationships of the central wavelength shift, full-width-at-half-maximum, peak intensity upon the strain gradient have been obtained.     

光纤布拉格光栅横向应变特性的研究

根据耦合模理论，对光纤布拉格光栅(FBG)的横向应变特性进行了深入研究，并采用数值分析方法对光纤布拉格光栅在平面应变和应力情况下进行了模拟分析：对于平面应变情况，一个谐振峰向波长增大的方向移动，而另一个谐振峰向波长减小的方向轻微移动；对于平面应力情况，两个谐振峰都向波长增大的方向移动。设计了相应的实验进行验证，实验结果与理论分析相符；该实验结果表明光纤布拉格光栅的横向应变情况介于平面应力和平面应变之间，而且更接近平面应力情况。根据理论分析，横向应变与纵向应变对波长漂移的贡献不一样，从而使三维应变测量成为可能。     

基于单片机实现的光纤光栅应力传感器

提出了一种用单片机控制光介质薄膜干涉滤波器探测光纤光栅波长偏移量的方法,并 构建了对外界应力实时检测的光纤光栅应力传感系统。实验中采用了一种超磁致伸缩材料(GMM) ,使光纤布拉格光栅( FBG)产生有效的B ragg波长偏移,用控制电流来调控FBG的应变和Bragg波长偏移;电流加到1A～5A之间时,反射峰的中心波长的偏移量随所加电流呈线性增加的趋势,偏移量达到1. 10nm ( 1551. 94nm～1553. 04nm) 。该系统具有对应力测量结果分辨率高、精度高等优点。     

用应变仪探测光纤光栅波长移动的传感网络

本文提出并实验了一种新的探测光纤光栅波长移动的系统,该系统采用抖动调制的方法逐步逼近光纤光栅反射光谱的中心波长,并用应变仪作为系统的读出装置,彻底消除压电陶瓷的非线性性和滞后性带来的误差,使测量系统的精度得到明显提高。