Study of a high-temperature and high-pressure FBG sensor with Al_2O_3 thin-wall tube substrate

A fiber Bragg grating(FBG) high-temperature and high pressure sensor has been designed and fabricated by using the Al2O3 thin-wall tube as a substrate.The test results show that the sensor can withstand a pressure range of 0-45 MPa and a temperature range of -10-300 ℃,and has a pressure sensitivity of 0.0426 nm/MPa and a temperature sensitivity of 0.0112 nm / ℃     

薄壁应变筒式光纤光栅压力传感器的研究

设计并制备了一种金属薄壁应变弹性筒式光纤光栅压力传感器,将FBG1和FBG2分别沿着轴向和周向粘贴在该结构内筒外壁上,FBG2用来测量压力,FBG1是温度补偿光栅.通过择优选取不锈钢(Cr18Ni9)材料作为基材,优化结构内筒径与内筒壁厚的比例,测得压强达到40 MPa,压力响应度达到0.033 nm/MPa,与普通的裸光纤光栅压力传感器相比较,增大了测量范嗣,提高厂响应度达11倍.实验结果表明,通过凋整传感器结构的参数,如基材和几何尺寸等,可以使该结构压力传感器满足不同的测量范围和响应度.     

Study of a high-temperature and high-pressure FBG sensor with Al2O3 thin-wall tube substrate

A fiber Bragg grating （FBG） high-temperature and high pressure sensor has been designed and fabricated by using the Al2O3 thin-wall tube as a substrate. The test results show that the sensor can withstand a pressure range of 0-45 MPa and a temperature range of-10-300 ℃, and has a pressure sensitivity of 0.0426 nm/MPa and a temperature sensitivity of 0.0112 nm/℃     

基片式FBG温度传感器胶粘贴效果对其性能影响的研究

针对一种基片式光纤Bragg光栅(FBG)温度传感器, 从理 论和实验证明胶(ND353)粘贴的效果是影响其性能的主要因素。25～90℃的水温实验结果表明,在基片上的FBG用胶粘贴的效果越好,则传 感 器的性能越好,而且重复性也较好,灵敏度达到36.6pm/℃以上, 直线度达到0.997以上;然而对于用胶粘贴效果较差的传感器,其 灵敏度降低到12.7pm/℃以下,几乎没有起到增敏效果。本文研究 结果可为FBG温度传感器的封装工艺提供参考。     

光纤Bragg光栅低频振动传感器的特性研究

设计了一种安装于双圆柱弹性环内并由多条弹性薄片条组装成的桶形骨架作为光纤Bragg光栅(FBG)振动传感器基底的传感结构,振动传感器的谐振频率为440Hz,加速度灵敏度约为76.4pm/g,采用相位载波调制式FBG振动传感器解调系统进行解调。实验结果表明,本文传感器经双圆柱弹性环对横向振动约束处理后,其幅频特性在20～300Hz频率范围内呈现出平坦的水平直线,对应于位相角φ=0处的相频特性曲线也呈现出平坦的水平直线,适合于工程技术中20～300Hz的振动信号实时检测。     

卫星环境温度监测的光纤光栅传感器研究

针对航天行业太空环境下对卫星内部温度监测的需求,研制了一种直接测量卫星内部温度的光纤光栅温度传感器。通过对传感器的结构进行了优化设计,选择一种新型的封装工艺,解决了温度、应变交叉敏感问题。选取相同封装条件的3个光纤光栅温度传感器进行温度标定。结果表明,在0～60 ℃范围内,光纤光栅温度传感器灵敏度分别为9.26 pm/ ℃、9.60 pm/ ℃、9.47 pm/ ℃,精度为1 pm,温度分辨率达到了0.1 ℃,线性度均达到0.998以上,具有良好的重复性与一致性,可应用于卫星内部温度的实时监测。     

一种新型光纤Bragg光栅振动传感器的设计

为满足各种工程结构和机械系统的低频测试需求,设计并研制了一种特殊三脚支架和等强度悬臂梁结构的可放大振动信号、增加灵敏度和有较宽工作频带的光纤Bragg光栅(FBG)振动传感器,建立了传感器的数学模型,测试了传感器固有频率、灵敏度、失真系数和横向抗干扰能力等参数.实验表明,研制的FBG振动传感器,其同有频率约为100 H...     

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。     

一种增敏结构的FBG倾角传感器研究

实现了一种增敏结构的光纤Bragg光栅(FBG)倾角传 感器,在传统等强度梁结构的基础上设计一种 新型凸台增敏结构,将经预拉伸后的FBG两端的光纤固定于凸台上,刻有光栅部分位于凸台 之间,当传感 器的倾角状态变化时,摆锤的重力分量迫使梁发生弯曲变形,FBG感知变形应变, 中心波长产生漂移, 根据波长的漂移情况表征倾角状态。加工制造了无凸台结构和凸台高为0.5mm、 1.0mm的3种FBG倾角传感器以开展增敏效果对比,实施了量程、灵敏 度、线性、重复性和蠕变等 的测试。实验表明,设计的增敏结构可显著提高传感器的灵敏度,凸台高为1. 0mm的传感器灵敏度提高 了2.23倍,倾角的测量分辨率可达到0.005° ,且在重复性、线性、蠕 变等方面有着良好的测量能力,证明了基于本文增敏结构的倾角传感器的有效性和可行性。     

一种温度自补偿的高灵敏度光纤光栅应变传感器

针对光纤光栅(FBG)应变传感器对应变和温度同时 敏感的问题,基于FBG传感原理以及环形结构受力变形特点,提出了 一种圆环式的FBG应变传感器,并进行了理论分析和传感器性能实验。传感器的 敏感结构是圆环,通过将 光栅粘贴在圆环竖向和横向直径方向,实现对被监测对象表面的应变监测。实验结果表明, 传感器的应变灵敏度为 3.76pm/με,线性相关度可达0.999 9,且 温度影响几乎被消除,可适用于受温度影响和精度要求较高的场所,尤其是 冶金铸造起重机的 监测。     

FBG高温传感器及其测量性能研究

在分析了不同涂覆层FBG耐高温性能的 基础上,提出了一种具有良好精度和重复性的 FBG高温传感器,并对其封装结 构和温度测量性能进行了试验研究。 根据FBG的状态不同,设计和研究了FBG为自由状态和粘贴状态两种传感器封装结构, 选择适于高温监测的聚酰亚胺FBG进行退火优化并对其封装处理。研究结果表明:不同 封装结构对传感器测温性能具有较大的影响,FBG处于自由状态下的一次线性拟合度为 0.999优于粘贴状态,采用该封装结构的FBG 高温传感器精度达到了±0.5 ℃,适用于高温检测。     

光纤Bragg光栅高压传感研究

通过采用特殊压力管封装光纤Bragg光栅（FBG）,分析了压力管结构封装FBG的压力响应特性。在0～40MPa压力范围,进行了加压和减压的高压实验。推导了传感器波长与压力间的关系,得到了压力响应灵敏度的解析表达式。实验结果表明：FBG的压力灵敏度为-0．0377nm／MPa,其中心波长与压力变化有着良好的线性关系和重复性,且迟滞性好。     

用于PEMFC的FBG湿度传感器的制作及性能研究

研究了以聚酰亚胺为湿敏材料的光纤Bragg光栅(FBG)湿度传感器并用其对质子交换膜燃料电池(PEMFC)停机过程中内部湿度进行了实时监测。传感器利用聚酰亚胺的湿膨胀效应,实现 了对24.7%－ 98%RH范围内相对湿度的监测。采用腐蚀光纤包层的方法减小光纤包 层直径,实验结果表明,该方法能在 不影响FBG相对湿度传感器灵敏度的情况下,提高对外界环境相对湿 度变化的响应速度。所 研制的FBG 相对湿度传感器灵敏度能达到3.8 pm/RH,线性度达到99.85%,最大回程误差不超过9pm,当环境相对湿 度从50%突变到85%时,经过腐蚀处理后的FBG 相对湿度响应时间仅为15.4 s。将该FBG湿度传感器布置 于PEMFC内部进行停机过程中湿度的实时监测,实验结果表明,所制作的FBG湿度传感器能够 准确地反映PEMFC停机吹扫过程中内部湿度的变化。     

基于弹簧管悬臂梁的FBG压力传感的研究

提出了一种等强度悬臂梁与弹簧管结合的高灵敏度的光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器。将FBG粘贴在悬臂梁的下表面,粘贴方向与悬臂梁轴线一致。理论分析了FBG中心波长相对偏移量与压力的关系,实验测得该传感器的压力灵敏度为2.767×10-4/MPa,是裸FBG压强灵敏度系数的142倍。压力灵敏度与悬臂梁和弹簧管的几何参数有关,改变参数,可获得不同灵敏度的压力传感器。     

光纤FBG高压传感器的优化设计与实验研究

基于对FBG传感器薄壁圆筒材料和结构的优化设计,制作了FBG高压传感器,在0～50MPa压力范围,进行了加压和减压高压实验,实验结果表明:FBG的压力灵敏度为0.0374nm/MPa,其中心波长与压力变化有着良好的线性关系和重复性,且迟滞性好。模拟结果与实验结果很好吻合。     

一种增敏型光纤光栅应变传感器的开发及应用

提出了一种基于两端夹持封装技术的光纤光栅应变传感器.该传感器具有应变放大机制,测量精度超过了裸光纤光栅,而且通过改变封装工艺参数可以调节应变传递率.这种传感器既可以埋入结构中也可以通过辅助构件构成夹持式传感器.利用万能试验机对该传感器进行了应变性能标定实验,研究了不同基体材料上传感器的应变灵敏特件,并与理论分析结果作了对比.这种光纤光栅应变传感器在高层大厦模型地震试验中进行了检测.试验结果表明,基于两端夹持封装技术光纤光栅传感器具有良好的灵敏度、低噪、牢固可靠以及测量长期稳定性好的优点,是动载环境下工作的结构长期安全监测的理想器件.     

FBG悬臂梁应力传感器的ANSYS仿真及实验

利用ANSYS软件建立等强度悬臂梁的受力分析模型,仿真不同外力下等强度梁产生的挠度.实验中,用改性丙烯酸酯AB胶将光纤布喇格光栅FBG传感器固定在等强度悬臂梁上,测量等强度梁产生的应变.结果表明,强度梁的应变和挠度与施加的外力线性相关,FBG实验结果和ANSYS模拟结果基本吻合,两者得到的应变值最大误差为7.4％.     

光纤光栅传感器的应力补偿及温度增敏封装

针对光纤光栅（FBG）温度传感器的交叉敏感问题,提出了一种FBG温度传感器的Al盒封装工艺,并对其温度和应力特性进行了理论分析和实验研究。研究表明,该封装有效地减小了FBG的应变灵敏性,并将温度灵敏度提高到裸FBG的1．8倍。     

一种应力迟滞和温度自动补偿型FBG压力传感器

基于波登管与悬臂梁的组合设计,将2个相同波长的光纤布拉格光栅(FBG)分别与悬臂梁的上、下表面对称粘贴组成差动式FBG传感系统,实现了外压力调谐双FBG布拉格波长差的调谐方法。理论分析和实验研究结果表明,该系统不仅能自动补偿FBG压力传感系统中弹性衬底元件在加压和减压过程中的弹性迟滞,而且能同时自动补偿温度,改善传感系统的线性响应特性;在0～20MPa的压力范围内,双峰波长差的调谐范围为0.0～5.6nm,压力调谐双峰波长差的灵敏度可达0.28nm/MPa,是压力调谐单峰波长灵敏度的2倍,标准误差可由单峰的0.066nm降低到0.0084nm。     

高灵敏度稳定光纤光栅温度传感器的研究

为了提高光纤Bragg光栅(FBG)的温度灵敏度,设计了一种双金属FBG温度增敏装置。增敏装置利用不同金属热胀系数的差异和巧妙的增敏结构,大幅度提高了FBG的温度灵敏度。从理论分析了增敏结构的增敏原理,并给出了波长温度响应关系式。使用此增敏装置制作了一种高灵敏度的FBG温度传感器。为了保证FBG长期固定的稳定性,在制作传感器时使用了低熔点玻璃焊接工艺。实验中,测得增敏FBG温度传感器的温度灵敏度系数达到345.9 pm/℃,是裸FBG的35倍,线性度为0.999 89。对增敏前和增敏后的FBG反射谱进行了对比,结果表明,增敏装置对FBG反射光的功率和反射谱的形状影响很小。对增敏FBG温度传感器的稳定性进行了测试,并用裸FBG作为参考,测试结果显示,增敏装置对FBG的稳定性没有造成影响。