非均匀温度场下升余弦变迹FBG的光谱响应研究

基于模式耦合理论,采用基于光纤布拉格光栅(FBG)的二层圆光波导模型,通过转移矩阵法实现数值仿真得到升余弦变迹FBG在几种典型非均匀温度场下的反射谱。处于非均匀温度场下的FBG其纤芯、包层的有效折射率及光栅周期都会发生非均匀变化,因此其反射谱结构也会发生相应变化。仿真结果表明:非均匀温度场中升余弦变迹FBG反射谱与其温度梯度系数ΔTmax有很大关系,与均匀温度分布相比,其反射率明显下降,反射带宽明显展宽,反射峰出现分裂以至振荡;最大反射率随ΔTmax的增加呈非线性减小,其对应波长与温度梯度系数ΔTmax成正比,且不同的温度场对应不同的变化率,如线性温度场中其变化率约为0.004nm/℃,中心对称二次方分布温度场中变化率为0.006 5nm/℃。研究结果对于升余弦变迹FBG实现非均匀温度场的测量有重要意义。     

应力双折射对FBG传感器压力传感特性的影响

针对光纤布喇格光栅(FBG)发生弯曲应变实现压力(应力)传感检测的实际情况,对FBG与衬底材料全粘附和两点粘附耦合对压力传感特性影响进行了对比实验研究。结果表明,全粘附耦合会对传感器输入与输出响应特性产生较大的非线性影响,这种非线性影响主要来源于应力双折射、应力梯度等引起的谱展宽干扰。由实验结果得出,在压力为0～4N测量范围内,采用全粘附耦合引起的FBG反射光谱的展宽约为0．28nm;采用两点粘附耦合后,谱宽不随压力而变,而线性度较之全粘贴耦合时提高了1．89％。     

非均匀热气体红外辐射特性计算与仿真

非均匀热气体由于内部空间点的温度、密度、组分及压力各不相同,其红外辐射特性的计算十分困难.为了计算非均匀热气体的红外辐射特性,首先从分析非均匀热气体特点和均匀热气体的谱带模型出发,以原子分子辐射理论为基础,结合谱线的碰撞展宽效应和多普勒展宽效应,利用单谱带模型Cunis-Godson(C-G)近似法对非均匀热气体谱带模型所用到的谱带模型参数进行了计算,提出一种计算非均匀热气体红外辐射特性的方法.最后,应用此方法计算了某单发动机喷气式飞机在非加力状态下尾焰3～5μm的红外辐射强度,计算结果与文献中给出的实际测量的尾焰红外辐射数据能较好地吻合,计算仿真结果验证了该方法的正确性.     

基于FBG精细谱的应变增敏型传感器的设计

提出了一种新型的基于非均匀光纤布拉格光栅(FBG)精细谱和边沿解调的应变灵敏度增强型传感器。理论研究了在轴向非均匀应变情况下普通FBG的传输谱以及基于传输谱精细结构的应变响应特性。仿真结果表明,将均匀应变转为非均匀应变的新型传感器对应变的灵敏度为普通FBG的4.6倍。在实验上设计制作了这种可将被测物体的均匀应变转换为FBG的非均匀应变以提高应变灵敏度的传感器结构。实验测量结果证明了理论分析的可行性。这种传感器在采用窄线宽激光器的FBG边沿解调方案中具有提高动态应变响应灵敏度以及增大应变测量范围的作用,同时,由于其长度可小型化,在检测高频动态应变信号方面也有较大的应用前景。     

电极放电对光纤光栅光谱特性的影响

采用电极脉冲电弧放电激励紫外曝光刻写的光纤布拉格光栅(FBG),重点研究了电极在栅区不同位置放电对光纤光栅光谱特性的影响。实验发现,在电极放电激励时,光栅反射率下降,光谱展宽并红移,放电引起的光谱变化具有可逆性。采用传输矩阵方法,在理论上分析了光纤光栅在电极放电产生的非均匀温度场下的光谱特性,与实验结果吻合。特别地,当电极在栅区中心位置放电时,光栅反射率下降幅度达到最大,反射谱峰值比无电极放电时小12dB,表现出开关量特性。     

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.     

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。     

用光功率计测量应力变化

主要用实验数据简要叙述光纤Bragg光栅(FBG)的反射谱功率与应力的变化成线性关系,并介绍一种用光功率计测量应力变化的装置,它能够通过测量FBG的反射谱功率较准确地测出应力。     

火箭尾喷焰红外辐射特性的理论计算

尾喷焰是一种高温高压气体,向空间辐射较强的热辐射能,对飞行器的隐身性能有重要影响。为计算尾喷焰的红外辐射特性,首先基于Navier?鄄Stokes方程和其他控制方程,在对流场进行划分处理的情况下得到了整个流场的特性分布,包括温度、压力和各气体组分参量等。在此基础上,考虑谱线的碰撞展宽效应和多普勒展宽效应,计算了尾喷焰中包含各气体的谱带模型参数,如吸收系数、谱线间隔密度和谱线半宽等。最后,利用非均匀气体的Curtis?鄄Godson近似,仿真计算了某火箭尾喷焰在2~5 m谱段的红外辐射光谱强度,仿真结果验证了所用方法的正确性。     

切趾函数光纤布拉格光栅的光谱特性研究

均匀光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)的反射谱存在旁瓣干扰,对波长解调过程会产生一定干扰,从而对传感测量结果造成一定误差。在FBG中引入切趾函数能够解决这一问题,有效抑制旁瓣。通过对切趾函数FBG耦合模理论的分析,获得了光栅参数变化对切趾FBG反射谱的作用情况。仿真实验结果表明,加入切趾函数会对FBG反射谱的旁瓣数量及大小起到明显抑制作用,反射率、中心波长、半高宽度及检测精度等反射谱特性的变化情况会受到光栅参数的影响。     

双光纤Bragg光栅反射谱叠加特性分析

在理论分析了光纤Bragg光栅传感器的温度应变交叉敏感机制的基础上,给出了一种双光纤光栅温度补偿型应变测量传感器结构,并分析了其工作原理.对此传感器的双光纤光栅测量探头存在的反射谱叠加问题进行了较为详细的讨论,指出在光纤光栅反射谱带宽内叠加将产生反射谱畸变,降低测量系统的分辨率,同时提出了解决方法.     

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。     

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.     

基于改进遗传算法双重约束的FBG应变分布重构研究

光纤布拉格光栅(FBG)已广泛应用于应变参数测量中,但非均匀应变易引起FBG光谱变形而无法进行波长检测,因此需重构沿FBG的应变分布。针对应变分布重构效果差且收敛速度慢的难题,在深入研究改进遗传算法的基础上,提出基于FBG光谱中心波长位置与反射率双重约束的应变分布重构理论,显著改善了重构的非唯一性和置信度。同时,假设应变分布为多项式形式,通过对多项式系数的重构实现应变分布的重构,大大提高了重构的速度。在此基础上开展了应变分布参数重构仿真实验,多项式系数重构误差均小于1.5%;结合两端固定压杆调谐光纤光栅实验,验证了该应变分布重构方法的有效性、适用性和可操作性,形成了一种快速有效的应变分布重构方法。     

Study on local temperature characteristics of fiber Bragg gratings

The characteristics of fiber Bragg gratings(FBG) at local temperature are investigated based on the transfer matrix method.The reflective spectrum model of the FBG at local temperature is analyzed by theoretics and simulations.The results show that when a small section of the FBG is affected by the temperature variation,the reflective spectrum splits into two main peaks.The wavelength of the splitting point shifts linearly and periodically with the local temperature on the FBG.An experiment is a...     

FBG传感器和电阻应变仪的振动监测特性

将光纤布拉格光栅（FBG）传感器和电阻应变片固定在等强度梁上,研究了两种传感器的振动监测性能,总结比较了其优缺点。通过固定在等强度梁末端的电机来产生振动,测试了FBG 传感器和电阻应变片监测到随时间变化的振动信号,并分析了振动信号经傅里叶变换（FFT）的频谱图。实验结果表明,FBG 传感器和电阻应变片监测到振动信号的时域图基本一致,但是FBG 传感器监测到振动信号经FFT 变换的频谱图出现较明显的二次谐波和三次谐波,电阻应变仪监测到的频谱图出现的谐波较弱。在实验中还观察到,在有电磁干扰情况下,电阻应变仪监测不到振动信号,而FBG 传感器正常工作,不受电磁干扰。     

Study on the spectral response of fiber Bragg grating sensor under non-uniform strain distribution in structural health monitoring

Many theoretical studies have been developed to study the spectral response of a fiber Bragg grating (FBG) under nonuniform strain distribution along the length of FBG in recent years. However, almost no experiments were designed to obtain the evolution of the spectrum when a FBG is subjected to non-uniform strain. In this paper, the spectral responses of a FBG under non-uniform strain distributions are given and a numerical simulation based on the Runge-Kutta method is introduced to investigate the responses of the FBG under some typical non-uniform transverse strain fields, including both linear strain gradient and quadratic strain field. Experiment is carried out by using loads applied at different locations near the FBG. Good agreements between experimental results and numerical simulations are obtained.     

温度影响光纤光栅传感器性能蜕化机理及实验研究

结构健康监测中,光纤布拉格光栅(FBG)传感器性能蜕化将会严重影响整个监测系统的稳定性和准确性。而高温、高压等恶劣条件,均可能导致FBG传感器性能蜕化。基于光纤光栅传感器温度传感原理,分析了温度引起光纤光栅传感器性能蜕化的机理,并通过软件仿真和相应温度循环实验,分别考察了温度对不同FBG传感器性能蜕化的影响。实验结果表明,温度对FBG传感器性能蜕化的影响与FBG传感器自身质量参数有关。对于普通FBG传感器,随着温度循环次数增加,反射光谱峰值逐渐降低;而对于刻写完成后,光纤中仍含有少量氢分子的FBG传感器,随着温度循环次数增加,反射光谱不仅峰值逐渐降低,而且中心波长逐渐发生蓝移。     

Analysis of a FBG sensing system with transverse uniform press by using genetic algorithm

An analytical method in a quasi-static fiber grating sensing system under transverse uniform press is proposed based on genetic algorithm The effect of population size, generations, crossover ratio and mutation ratio to genetic algorithm, and the optimization parameters of genetic algorithm were given. The relevant experimental system is constructed. The simulation and experiments show that the analytical method proposed can be applied to analyze the reflective spectra of the quasistatic FBG sensing system at transverse uniform press, the strain measurement with high-precision of 0.91% can be realized     

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.