金属化封装光纤光栅传感器超低温特性研究

传统胶封光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器的胶黏剂在超低温环境中存在着板结、与基体间热失配等问题。针对胶封光纤光栅传感器在超低温条件下进行测量的局限性,本文设计一种全金属化封装结构,并采用超声焊接的方法将光纤光栅封装固定于特种铝合金基底表面。在-160～0 ℃环境下,对两支FBG温度传感器的超低温传感特性进行了实验测试。结果表明,该封装形式的FBG传感器的线性度较好,相关系数均在0.99以上。它们的温度灵敏度系数在线性变化区间平均值分别为27.88 pm/℃和26.17 pm/℃,分别是封装前裸光纤光栅的2.75倍和2.58倍左右,提高了温度灵敏度。此金属化封装的FBG温度传感器的工艺简单,易于实现,可用于超低温恶劣环境下的温度测量。     

面向电机测温的嵌套结构管式光纤光栅传感器

针对电机内部实时测温的需求,设计了一种嵌套结构的管式光纤光栅传感器.该传感器使用陶瓷基片作为内层结构,以304不锈钢管作为保护外层,采用飞秒激光刻写的纯石英光纤光栅作为测温敏感元件.搭建了恒温油浴光纤传感测试系统,采用循环升降温的方法对其进行了温度特性研究,结果表明该传感器测温性能良好,升降温实验的线性相关系数均为0.999 9,在长期的循环实验中波长重复性为士2 pm,迟滞误差小于5 pm,有较高的可靠性,可用于电机内部的温度监测.     

柱体金属化封装FBG传感器的传感特性研究

为解决胶封布拉格光纤光栅(FBG)传感器在飞行器恶劣环境下难以长期存活的问题,提出一种基于一步超声波焊接的金属化方法,实现了FBG的柱体金属化封装。根据热弹性力学建立了温度传感的理论模型,对金属化封装FBG内部产生的热应力进行了分析,研究了封装后FBG的温度传感重复性,并利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)对其截面进行形貌观测和元素分析。结果表明,在20～55℃内的各个温度稳定点,金属化封装FBG的输出中心波长漂移标准差仅为2.1 pm,波长重复性好,相关系数为0.999,温度敏感系数为36.38 pm/℃,是裸FBG的3.27倍,与理论分析结果一致。SEM图显示FBG与焊接金属基体结合紧密;EDS定性分析了焊接金属合金主要是由Sn元素组成。因此,采用柱体金属化封装方法能够很好地解决FBG温度传感过程中对轴向应变敏感的问题,具有快速的温度响应特性,在航空航天结构健康监测领域中具有重要的应用价值。     

全金属化应变不敏感FBG温度传感器特性研究

为了解决传统胶封光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器存在严重胶蠕变和老化问题,提出基于一步超声波焊接的全金属化封装FBG传感器方法,采用有限元分析方法进行传感器的应变不敏感结构设计并制作了该温度传感器进行实验验证。测试结果表明,该方法制作的特定封装形式的FBG传感器对轴向应变不敏感,温度灵敏度达到39.16 pm/ ℃,是封装前裸光栅的4倍,线性度超过0.999,具有较好的重复性,并且温度从20 ℃改变到100 ℃的动态测量响应时间小于30 s。该金属化封装FBG温度传感器的工艺简单,制作周期短,其优异的温度传感特性在高精度、高可靠性传感监测领域具有广泛的应用前景。     

管式光纤光栅高温传感器封装及温度特性

光纤光栅在高温环境下因丧失涂覆层保护而易断,制作了一种金属管式耐高温光纤光栅温度传感器。使用不锈钢管对飞秒激光刻写的纯石英光纤光栅进行保护封装,在100~450 ℃温度范围内,对其温度特性进行实验研究,实验结果表明:该传感器的灵敏度系数为12.7 pm/ ℃,线性相关系数高达0.995,具有很好的重复性。该封装方法简单快捷,封装的传感器稳定性好,机械强度高,可用于工程中的高温测量。     

再生光栅高温应变加载特性研究

采用244 nm氩离子激光制作25 mm种子光栅,对种子光纤布拉格光栅(FBG)加载60με,并使用超高温箱式炉对种子光栅进行不同温度条件下的快速高温退火处理。实验结果表明,加载60με时,种子光栅在800℃条件下进行快速退火时,再生过程进行较缓慢,且存在再生不彻底的问题;当温度超过900℃,种子光栅再生现象明显,且900℃和1 000℃高温条件下施加拉力后中心波长不稳定,随时间成二次函数关系。当拉力恒定时,高温条件下应变加载导致光纤伸长,引起中心波长的红移,且温度越高,中心波长漂移量也越大。     

A switchable dual-wavelength fiber laser based on phase-shifted fiber Bragg grating combined with Sagnac loop

A switchable dual-wavelength erbium-doped fiber (EDF) laser is proposed and demonstrated. The interference filter is achieved by employing a phase-shifted fiber Bragg grating (PSFBG) combined with Sagnac loop structure. By adjusting polarization controller (PC) states, the birefringence effect is introduced to weaken mode competition, then stable and switchable dual-wavelength fiber laser can be realized. Based on coupled-mode theory and transmission matrix, the Sagnac loop transmission characteristics are studied. The experimental results show that the proposed fiber laser can operate in switchable dual-wavelength output mode at room temperature just by simply adjusting PC. The output wavelength range of fiber laser is 1 556.128—1 556.384 nm, the side mode suppression ratio (SMSR) is over 45 dB, and dual-wavelength spacing as small as 0.048 nm is achieved, which can be used in high-fineness dense wavelength division multiplexing (DWDM) systems and similar structures.     

FBG-FP的应变与温度解耦方法研究

光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)的温度与应变交叉敏感问题在实际工程应用中至关重要。本文提出了一种采用级联FBG的法布里-珀罗(FBG-Fabry-Perot, FBG-FP)传感器进行温度与应变同时测量的方法。级联FBG阵列由氩离子紫外激光器基于相位掩模板方法制作,其形成的FP干涉峰和光栅反射谱包络可以实现温度与应变的解耦。在不同的温度条件下,由FBG-FP反射谱包络10 dB带宽所对应中心波长值可得FBG-FP的温度灵敏度系数为9.5 pm/℃。分别在无应力、有应力且恒温条件下,通过解读FP干涉峰的波长变化得到该级联FBG-FP的温度和应变灵敏度系数分别为9.1 pm/℃和1.03 pm/με。实测的温度与应变值可由干涉峰波长、反射谱包络与温度、应变的函数关系求得。结果表明该FBG-FP可以实现温度与应变的同时测量。     

基于SMS-FBG结构的温度应变双参数传感特性研究

提出了一种基于单模-多模-单模(SMS)光纤干涉结构级联光纤布拉格光栅(FBG)的光纤微结构温度应变双参数测量传感器,并对其应变特性、温度特性进行了实验研究。通过采用光纤熔接手段将长度为35.5 mm的多模光纤熔接在两段单模光纤之间,构成SMS光纤干涉结构,并通过级联FBG制成温度应变双参数测量传感器。结果证明,在200～2 000με应变范围内,单模-多模-单模干涉结构和FBG的应变灵敏度分别为-2.31和1.22 pm/με,线性度分别达到0.999 2和0.999 4;在580～700℃温度范围内,其温度灵敏度分别为58.79和13.64 pm/℃,线性度分别达到0.996 7和0.998 2,可实现温度、应变双参数的同时测量。     

一步超声法金属化封装FBG的传感特性

为解决传统胶封传感器普遍存在的蠕变、老化问题,本文提出基于一步超声法的光纤光栅表面金属化封装方法。在相同条件下分别对有聚酰亚胺涂覆层和无涂层的两种FBG进行金属化封装,研究了封装后FBG传感器的光谱、热学和力学特性,并利用扫描电子显微镜对其横截面的微观形貌进行了表征。结果表明:封装后有涂覆层FBG的反射光谱无明显畸变、边模抑制比大于10 dB,温度灵敏系数达34.63 pm/℃,应变灵敏系数为1.18 pm/με,应变传递效率达98.5%,线性度达0.999,均优于无涂层的FBG传感器。当温度从14.2℃突变到80℃经过多次冲击试验,发现金属化封装无涂层的FBG的温度增敏结构被破坏,而有涂层的FBG传感器仍保持优异的温度响应特性。SEM图显示,金属合金与有无涂覆层的光纤和金属基底都结合致密。该方法无需对光纤进行表面金属化预处理,操作简单易行,在恶劣环境、超长服役时间的光纤传感应用领域中具有重要的价值。