FBG传感对应变，温度及湿度的同时测量

为更好地解决交叉敏感这一光纤光栅应用中的瓶颈问题,该文从光纤布喇格光栅(FBG)的传感理论出发,分析了光纤光栅在同时测量应变、温度及湿度时交叉敏感的物理机制.通过给光纤光栅外层镀湿敏材料和温敏材料,推广了双光栅法解决交叉敏感的思路,采用三光栅法实现同时对应变、温度及湿度的测量,并设计了相应的解调方案.通过控制步进电机对基于悬臂梁的匹配光栅施加压力或拉力,从而与传感光栅进行匹配,能对传感光栅的波长漂移量进行高精度的测量.     

FBG传感器应用开发进展

近十年来,光纤布喇格光栅（ＦＢＧ）传感器已成为光纤传感器技术领域发展最迅速的技术之一,正从实验室走向实用化。其系统开发和应用两方面都取得了快速进展。ＦＢＧ在大型复合材料、混凝土构件、电力、医疗及化学传感等方面的应用取得了重大进展。     

光纤布喇格光栅应力双折射的研究

实验研究了侧向挤压作用下的光纤布喇格光栅(FBG)产生的应力双折射现象,提出了一种消除横向应力对温度交叉敏感的简单而又有效的方法,从理论和实验上进行了分析与验证.研究表明,对FBG施加侧向挤压产生的双折射导致普通光纤布喇格光栅存在两个满足布喇格条件的反射光谱,且双峰间距在100 ℃的温度范围内变化了0.055 nm,利用该双峰间距的变化可消除温度传感中横向应力对它的交叉敏感,实现对温敏系数的修正及温度的校正,实验中测得的原始温敏系数是0.013 8 nm/℃,对温敏系数修正了0.005 nm/℃,对变化的温度校正了4 ℃.     

基于Lab VIEW的FBG传感解调技术的研究

结合虚拟仪器技术和光纤光栅传感技术,自行设计了一套光纤光栅传感解调系统.系统采用了基于迈克尔逊干涉技术的解调方法,将包含被测应变信息的光纤布喇格光栅(FBG)波长信号转变成相位信号,通过以Lab VIEW为核心的虚拟仪器系统检测相位的变化,从而得到被测应变的大小.该干涉解调系统避开了传统解调系统受电磁干扰和环境等方面的影响,因此使测量精度提高.虚拟仪器系统可用于静态应变和动态应变的检测,具有高分辨力、大测量范围的特点.     

表面式FBG应变传感器及其在高速公路桥梁工程中的应用

报道一种表面安装式光纤布喇格光栅(FBG)应变传感器及其在高速公路高架桥的车辆载荷压力试验中的应用。提出了一种具备应变放大能力且可调节的不锈钢封装的应变感测弹性结构,布设有FBG的弹性圆筒结构位于传感器中间部分,其横截面积小于传感器其他部分,传感器的应变测量放大系数可通过改变圆筒结构的长度和横截面积来调节。将24个经过测试标定后的应变传感器和6个FBG温度补偿传感器安装在甬台温高速吊水沿大桥箱梁底部,并对大桥实施一系列车辆载荷作用下的静态和动态试验,传感器表现出了良好的测量能力,3种静态载荷工况下的桥梁底部应变大小以及3种动态载荷工况下的应变变化情况被清晰地展现出来,理论分析与实验结果一致。     

基于FBG的弹性波测量及其泄漏检测应用

为了利用光纤布喇格光栅(FBG)实现宽带弹性波的测量,提出了基于双FBGs+压电陶瓷（PZT）的解调方案。该方案使用宽带光源提供入射光,通过改变PZT的驱动电压,使其上粘贴的FBG的布喇格波长处在传感FBG的半峰宽处,形成FBG对。该方案具有成本低及工作点可动态调整等优点。通过实验验证了基于双FBGs+PZT的系统调节最佳工作点的方法,及利用该系统进行了连续弹性波测量和泄漏检测的实验。实验结果表明,该系统可以检测出8 kHz,58 kHz,98 kHz, 200 kHz的弹性波,且可以成功检测到气体管道泄漏产生的弹性波信号。     

光纤布喇格光栅的低温传感特性研究

为了解决光纤光栅在低温环境中的应用问题,该文从光纤布喇格光栅(FBG)的传感理论出发,通过深入分析了FBG在-60~25 ℃时热光系数和热膨胀系数的变化。采用2根未封装的FBG进行实验验证,得到了FBG在低温环境下的响应情况。研究结果表明,FBG在低温环境下具有良好的响应和重复性,这对FBG在低温环境中的应用具有重要指导意义。     

基于进口膜片的光纤光栅压力传感器的研究

分析了光纤布喇格光栅(FBG)的压力传感特性,给出了FBG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FBG纵向粘贴在富士公司生产型号为FBC 20WB2的膜片上进行了压力实验。实验结果表明粘贴在FBC 20WB2型膜片上的FBG压力传感器的灵敏度系数为0.376 nm/MPa左右,其测量精度在满量程范围内为1%,而理论的压力灵敏度系数为0.385 nm/MPa。同时发现粘贴在该膜片上的FBG压力传感器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,说明基于该膜片的FBG压力传感器非常适合于压力测量。     

一种FBG载荷定位的温度补偿方法

在基于神经网络的光纤布喇格光栅(FBG)载荷定位系统中,由于测试区域内各个光栅所处的温度大致相同,如果将载荷定位系统中FBG的波长变化量两两组合,然后按一定的比例相减,将它们的差值作为神经网络的训练样本,则可抵消温度所引起的波长漂移,提高了在温度变化时FBG载荷定位系统的准确度。实验证实该方法可获得较准确的判定结果。     

改进模拟退火算法在FBG传感网络中的应用

通过分析传统模拟退火（Simulated Annealing）算法的原理和存在的不足,提出了一种改进的模拟退火算法.改进的算法增加了记忆当前最好状态的功能以避免遗失当前最优解,并设置双阈值使得在尽量保持最优性的前提下减少计算量.根据光纤光栅传感网络谱形状复用技术和模拟退火算法的特征,设计了高效的计算能量增量的方法,加快了算法的运行速度.仿真和实验结果表明,改进的算法比传统的模拟退火算法在解决光谱形状复用技术问题上具有更快的收敛速度,解的质量也有很大程度的提高.     

光纤光栅传感系统的信号解调

首先介绍了光纤光栅的基本知识,再分别介绍了几种典型解调方法的工作原理、性能和特点,给出了其工作原理图,并对各种解调方法的优缺点进行了论述。提出了一种基于CCD的光纤光栅传感解调系统,该系统采用反射式成像系统,用CCD作为探测器,并利用可编程逻辑器件FPGA设计驱动电路和信号处理电路,实现了一种体积小、结构简单,解调速度快,可以实时测量的波长解调系统,为光纤光栅解调技术的实际应用和光纤光栅传感解调系统的设计提供了理论依据。     

低温环境下FBG温度传感特性研究

在低温环境中,光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)材料的热膨胀系数和热光系数会发生改变,从而影响其温度传感特性。文章通过实验研究了裸光纤光栅传感器和黄铜管封装的光纤光栅传感器在低温下的温度传感特性。结果表明,在80~300 K温度范围,裸FBG温度传感器的灵敏度为6.43 pm/K,线性度为0.974,在80~230 K温度范围,温度与光纤光栅的中心波长呈现非线性关系;黄铜管封装的FBG温度传感器,在整个温度范围内灵敏度可达26 pm/K,线性度为0.996,较裸FBG温度传感器均有较大提升。对比实验表明,对光纤光栅进行封装,可以提高其温度灵敏度和线性度,改善温度传感特性。     

一种补偿式光纤光栅传感器压力特性研究

提出一种基于高弹聚合物封装、金属膜盒感受联杆传递的组合式光纤Bragg光栅(FBG)压力传感机构,对其压力传感特性进行了理论和实验研究。结果表明,FBG中心反射波长漂移对压力呈现良好的线性响应特性,压力传感灵敏度可达0．57nm／MPa。将压力测量范围扩展到了0～4MPa,这一组合传感机构只对压力增敏,对温度量只保持了裸光栅原有灵敏特性。采用精密弹簧补偿了因高弹聚合物材料应变时产生的时滞效应,避免了高弹簧聚合物存在的弹性滞后和后效性,提高了压力测量的重复性和复用性。     

基于光纤激光器的光纤Bragg光栅传感技术

分析了掺Er光纤激光器(EDFL)的基本原理和光纤Bragg光栅(FBG)传感机理,组建了一种基于环形腔EDFL的FBG传感系统,其中FBG既作为滤波器起波长选择、又充当传感器起感测外界温度压力变化的作用.实验研究了经过温度增敏工艺处理过的FBG温度特性,传感系统温度分辨率优于0.3℃.换用荧光光源和经悬臂梁粘贴增敏处理的FBG,对比了在相同作用力下采用该系统前、后输出传感信号的光谱形状,结果表明,该技术方法可以有效消除FBG的啁啾对传感信号的影响,方法简单、信噪比高,适用于中远距离的FBG传感测量系统.     

高强度光纤光栅与碳纤维的复合及应变传感特性研究

针对光纤光栅工程化应用性能不佳的问题,提出将高强度光纤光栅与碳纤维材料复合,介绍了复合样品的结构形式,分析了应变传递过程,然后对其应变传感特性和疲劳性能进行了实验研究。结果表明:复合样品能够达到较高的应变传递效率,具有良好的应变传感特性;疲劳实验中复合样品保持正常工作,波长变化曲线的幅度稳定;疲劳实验前后复合样品的应变传感特性基本不变,应变灵敏度系数分别为1.12和1.17pm/με,应变响应曲线的线性度均高于0.999,重复性分别为0.623%和0.397%。     

双栅型轮辐式光纤光栅压力传感器

利用光纤光栅（FBG）作为基本传感元件,研制了一种基于轮辐式压力盒装置的FBG压力传感器。将2根不同波长的FBG粘贴在传感器同一轮辐的正反面上,提高了测量精度,减少了波长随温度漂移带来的影响。在0～30kN的范围内,其测量线性度达到99．98％,灵敏度达到13．89N,且响应速度快。     

基于旋光效应的FBG传感解调方法

阐述了利用石英晶体旋光效应实现FBG传感系统的解调原理,理论分析了石英晶体的旋光率与波长之间的变化关系。结果表明,旋光率随波长的增加逐渐减小,在834~841nm范围内近似呈线性变化。设计了双光路检测系统,对石英晶体的旋光率与波长之间的响应关系进行了验证,实验结果与理论分析一致。     

一种新颖的高压光纤布拉格光栅传感器

提出了一种新颖耐高压的光纤布拉格光栅(FBG)压强传感器.推导了该压强传感器的FBG中心波长与压强的关系,得到了其压强响应灵敏度的解析表达.从实验获得该压强传感器的压强响应灵敏度为0.0592nm/MPa,是裸FBG压强传感器的19.73倍;在0～45 MPa内,该传感器的压强响应具有很好的线性和重复性,实验值与理论值吻合得很好,且压强响应灵敏度和测量范围是可调的.     

光纤光栅滤波的瓦斯传感系统的研究

差分吸收法是进行瓦斯远距离监测的重要方法，根据瓦斯在近红外波段的吸收特性，报道了一种新型的远距离光纤瓦斯传感系统。采用1．3μm超辐射发光二极管为光源，利用光纤布拉格光栅(FBG)优良的窄带滤波特性实现了对瓦斯的差分吸收测量。和传统的干涉滤光片相比，光纤光栅滤波器插入损耗低、制备简单。系统具有全光纤化、结构简单、工作距离远、稳定性好的特点。工作距离10km，测量灵敏度为0．1％，是瓦斯爆炸极限的2％。