一种测量温度和流速的光纤光栅传感器

提出一种基于铝片的测量温度和流速的光纤布喇格光栅(FBG)传感器。采用一种耐高温胶将光纤布喇格光栅封装在一小铝片上，经过高温固化处理，可保持光纤光栅传感器的稳定性。通过-20℃～100℃温度实验，得到该传感器的温度灵敏度系数为0.0392nm/℃,是封装前的3.5倍，且传感器温度响应保持了很好的线性和重复性。从水温14.5℃时的流速实验中得到水流速在0～20m/s范围变化时，FBG峰值波长漂移了0.13nm,验证了此光纤光栅传感器测量流速的可行性。试验结果表明，该传感器既可以作为温度传感器，又可以作为流量传感器，并且制作简单，成本较低。     

具有温度自校准功能的光纤折射率传感器

提出一种具有温度自校准功能的光纤折射率（RI）传感器,传感头结构由2段很短的多模光纤（MMF）之间夹熔一段对折射率不敏感的光纤布拉格光栅（FBG）构成,传感头总长度为14 mm,FBG可以为折射率测量提供良好的温度校准功能。实验结果证明,该传感器的折射率灵敏度为126 nm。其干涉光谱共振波长的温度灵敏度为35.09 pm/℃,用于温度校准的FBG的温度灵敏度为11.14 pm/℃。相比于普通的折射率传感器,这种具有温度自校准功能的折射率传感器具有良好的实用前景。     

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm~(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10~(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.     

阵列波导光栅解调的准分布式光纤光栅传感器

从理论上和实验上研究了一种操作简单、响应速度快,价格低廉和高分辨率的基于阵列波导光栅(AWG)的准分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感器.该传感系统采用了阵列波导光栅双通道强度解调技术对光纤光栅的布拉格波长和温度进行精确的解调.实验结果表明,该系统对宽带宽光纤光栅的布拉格波长和温度解调均具有高线性度,考虑系统稳定性及光纤布拉格光栅之间的串扰影响,波长测量精度仍可达2 pm,温度测量精度优于0.2℃.     

铝槽封装光纤光栅传感器的增敏特性研究

提出了一种光纤布喇格光栅的铝槽封装工艺,并对铝槽封装光纤光栅传感器的应变与温度传感特性进行了实验研究和理论分析.与裸光纤光栅的测试结果比较表明,铝槽封装工艺基本不改变光纤光栅应变传感的灵敏性,但是温度灵敏度系数提高了3.5倍.经过该工艺封装的光纤光栅可以探测识别0.2 με的应变与0.02℃的温度变化.     

光纤光栅多参数桥梁结构监测系统的研究

从土木工程应用的实际情况出发,利用光纤光栅传感器具有波长绝对编码和易于复用的特点,提出工程化同时测量温度、应变和压力的全光栅型低成本分布式传感方案。设计了基于连续波调频技术的光纤光栅多参量桥梁结构监测系统,将光频域反射复用与波分复用技术相结合,实现分布式光栅传感网络的寻址,提高了系统复用容量。实验表明：所设计的传感系统能够准确监测结构重要部位的内部应变及车流量等参数,为桥梁结构的静、动载测试提供了准确的数据,同时也为桥梁的工作状态评估和健康诊断提供了依据。     

光纤光栅的双向温度/波长调谐技术研究

为了对光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG) 的中心反射波长进行双向调谐,提出了采用半导体致冷器、热敏电阻配合控制电路对FBG的工作温度进行双向精确控制实现温度/波长调谐的方法,讨论了温度/波长调谐的实现技术,并研制了FBG双向温度调谐器样品.在0℃、20℃、40℃环境温度条件下对调谐器进行了范围为－20℃~60℃、步进为10℃的温度扫描测试.实验结果表明：FBG调谐器的中心反射波长与设定的温度有较好的线性关系,除波长外其它光栅特性基本不随调谐温度改变;调谐装置准确度优于0.05 nm,且受环境温度变化的影响较小.     

陶瓷封装对光纤光栅体温测量探头效果的影响

利用陶瓷封装技术,设计并制作了多只光纤光栅温度传感头,测试了探头的测试灵敏度、稳定性、重复性、响应速度等多个参数受封装加工形式的影响。实验采用恒温水浴装置,在36℃~45℃的温度范围内使用了中心波长位于1 540 nm和1 550 nm附近的多只布拉格光纤光栅进行了对比测量。实验结果表明:陶瓷封装布拉格光纤光栅的波长/温度响应度为9.815 pm/℃,测量标准偏差为0.08 ℃。     

大范围光纤布拉格光栅温度传感器增敏实验研究

简要分析了光纤布拉格光栅的温度响应及增敏原理,采用特殊耐高温有机聚合物对光纤光栅进行温度增敏封装,并通过改进光纤光栅的聚合物封装固化工艺,使用某种有机硅导热胶减小有机聚合物与套管材料的粘合度,消除了封装过程中由于聚合物材料不均匀收缩引起的光纤光栅反射谱啁啾化,实现20～180℃范围内光纤光栅传感器对温度高灵敏度测量。实验结果表明．聚合物封装光纤光栅传感器温度响应灵敏度在20～130℃为0．05nm／℃,在130～180℃达到了0．22nm／℃,并在两个区域保持较好的线性与重复性。此结构传感器封装工艺简单,易于实现,可用于高温恶劣环境下的温度单参量测量。     

Genetic algorithm-support vector regression for high reliability SHM system based on FBG sensor network

Structural Health Monitoring (SHM) based on fiber Bragg grating (FBG) sensor network has attracted considerable attention in recent years. However, FBG sensor network is embedded or glued in the structure simply with series or parallel. In this case, if optic fiber sensors or fiber nodes fail, the fiber sensors cannot be sensed behind the failure point. Therefore, for improving the survivability of the FBG-based sensor system in the SHM, it is necessary to build high reliability FBG sensor network for the SHM engineering application. In this study, a model reconstruction soft computing recognition algorithm based on genetic algorithm-support vector regression (GA-SVR) is proposed to achieve the reliability of the FBG-based sensor system. Furthermore, an 8-point FBG sensor system is experimented in an aircraft wing box. The external loading damage position prediction is an important subject for SHM system; as an example, different failure modes are selected to demonstrate the SHM system's survivability of the FBG-based sensor network. Simultaneously, the results are compared with the non-reconstruct model based on GA-SVR in each failure mode. Results show that the proposed model reconstruction algorithm based on GA-SVR can still keep the predicting precision when partial sensors failure in the SHM system; thus a highly reliable sensor network for the SHM system is facilitated without introducing extra component and noise.     

基于TTDF和CNS算法的多路BOTDR散射谱信息高精度分析研究

传统的BOTDR光纤传感系统采用单路传感光纤实现对信息特征的测量,交叉敏感等不可控因素会使散射谱拟合精度较低,信息分析偏差较大。设计了一种同时对多路传感信息进行检测的BOTDR系统。针对基于布里渊光时域反射(BOTDR) 的多路传感散射谱高精度特征提取的要求,提出了一种三次数据融合(TTDF)与布谷鸟牛顿搜索(CNS)相结合的散射谱信息分析方法。该方法利用TTDF对信息数据的融合能力,根据狄克逊准则和格拉布斯准则,剔除了异常值的影响,减小了传感信号的误差;采用布谷鸟牛顿搜索算法进行频谱拟合,不仅通过布谷鸟的智能搜索能力得到全局最优解,而且以该最优解作为牛顿算法的初值进行局部寻优,保证了频谱拟合的精度,提高了布里渊散射谱信息分析的准确度。在温度信息散射谱线性权重比为1∶9的情况下,分析了不同线宽散射谱信息的提取。采用该方法进行多路数据融合的方差约为0.003 0,散射谱的中心频率约为11.213 GHz,温度误差小于0.15 K。理论分析和仿真结果表明,将此方法用于基于布里渊光时域反射的多路分布式光纤传感系统,可有效提高多路传感信号的准确度和布里渊散射谱信息分析的精确度。     

分布式光纤喇曼温度传感器的循环解调法

为了抑制温漂噪声积累,瑞利背向散射光窜扰反斯托克斯背向散射光,考虑了最近测量瑞利背散射光曲线解调反斯托克斯背向散射光温度曲线方法,即循环解调方法;该方法提高了系统的测温精度、稳定性,降低了系统的成本.实验结果与理论分析一致,系统的测温精度达±0.05℃.     

On a fiber grating sensor system with the capacity of cross-sensitivity discrimination

A novel fiber Bragg grating (FBG) sensor system based on an interrogating technique by two parallel matched gratings was designed and theoretically discussed. With an interrogation grating playing the role of temperature compensation grating simultaneously, the wavelength drifts induced by temperature and strain were discriminated. Additionally, the expressions of temperature and strain were deduced for our solution, and dual-value problem and cross sensitivity were solved synchronously through data processing. The influence of the FBG's parameters on the dynamic range and precision was discussed. Besides, the change of environment temperature cannot influence the dynamic range of the sensor system through temperature tuning. The system proposed in this paper will be of great significance to accelerate the real engineering applications of FBG sensing techniques.     

基于纤芯失配和光纤布拉格光栅实现温度和应变同时测量

基于纤芯失配理论,提出了一种多模单模多模（MSM）结构与光纤布拉格光栅（FBG）级联实现温度和应变同时测量的光纤传感器。利用MSM结构的干涉谱和FBG对温度和应变的不同响应灵敏度,实现了对温度、应变的同时测量。实验结果表明,在20 ℃~80 ℃的温度范围内,MSM结构的干涉谱和FBG的温度灵敏度分别为0.091 nm/℃和0.0102 nm/℃;在0～650 με的应变范围内,应变灵敏度分别为 -0.0013 nm/με和0.0012 nm/με。因此利用敏感矩阵,即可实现对温度和应变的同时测量,且温度和应变的最大测量误差分别为±0.2 ℃和±8.25 με。该结构灵敏度高,结构简单,且不易受电磁等干扰,实验结果具有良好的线性度,在工程领域应用前景良好。     

基于FPGA和DS18B20的温度光栅的波长标定方法

提出了一套基于FPGA(fiber-Bragg-grating)和DS18B20的温度布拉格光栅的波长标定方法。基于DS18B20对外界温变的实时响应特性,将数字温度传感器DS18B20与连接了光谱仪的温度光纤布拉格光栅FBG置于同一温度场中,以现场可编程门阵列FPGA(field-programable-gate-array)作为数据处理和控制芯片,设计了通过串口发送智能指令对温场变化的实时监控和显示系统。方法中不需要温箱进行恒温控制,降低了FBG波长标定的成本及功耗。实验表明,标定出的波长-温度曲线线性度为0.999,测得光栅的温度灵敏度系数为9.899 pm/℃,与用恒温箱测得的结果10.468 pm/℃相差0.569 pm/℃,在系统允许误差0.619 pm/℃范围内,验证了该方法的准确性。     

动态匹配光栅解调传感系统温度补偿研究

采用一对辅助匹配光纤光栅,结合基于MAX1968EUI芯片闭环自动控制,设计了一种半导体小型温度控制系统.通过控制传感光栅反射峰值变化,使匹配光栅温度变化与传感光栅周围环境温度变化相匹配,实现了动态匹配光栅解调方案的应变测量系统温度补偿,消除了光纤光栅传感器温度、应变交叉敏感效应对传感系统测量应变的影响.解调系统同时采用一支微测力传感器作为解调系统的输出,消除了传统动态匹配光栅解调系统中压电陶瓷磁滞效应对测量结果的影响.实验结果表明,温度变化对系统应变测量影响误差小于2％,传感系统的线性优于0.999 5.     

一种新型温度自适应光纤光栅动态传感系统

 研究了采用温度控制光纤Bragg光栅（FBG）作为信号解调器件的自适应光纤光栅动态传感系统。系统利用半导体制冷器件对滤波用FBG进行温度控制,以改变FBG的窄带滤波波长,使之在合适的滤波波长工作,以适应测量环境温度变化,实现对传感器环境温度变化的自适应。通过采用参考信道,去除系统噪音,提高测量精度。系统动态应变传感精度达到9.745×10^-10(Hz^-1/2。     

一种新颖封装的耐高温光纤Bragg光栅温度传感器

分析了光纤Bragg光栅的传感原理,将光纤光栅置于细钢管通过一种耐高温胶粘结细钢管两端使光纤光栅在高温下不脱落,并通过细钢管上的中间螺纹给光纤光栅施加预应力,使光纤光栅在温度变化过程中一直保持张紧状态,保证传感器有很好的重复性和良好的线性.实验结果表明:该FBG光纤光栅温度传感器灵敏度为0.0252 nm/℃,有良好的重复性和线性,温度测量范围达200℃以上,可应用在高温环境测量温度的变化.     

光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的湿度传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纤结构的湿度传感器。当环境湿度变化时,SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移,而光纤布拉格光栅对湿度不敏感,其纤芯基模保持不变。因此利用SMS光纤结构对环境湿度的敏感性去调制光纤布拉格光栅纤芯基模,通过检测光纤布拉格光栅纤芯基模的反射能量变化就可以实现湿度测量。数值模拟了SMS光纤结构的内部光场分布规律,理论计算了不同环境折射率时,多模纤芯的长度、直径对SMS光纤结构输出能量耦合系数的影响。理论模拟表明,随着环境折射率变化,SMS光纤结构中传输的纤芯基模的输出能量耦合系数会发生变化。同时制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究,实验结果表明多模纤芯长35 mm、纤芯直径为85 μm的传感器在45%～95%RH湿度变化范围内,湿度灵敏度为0.06 dBm·(%RH)-1。在20～80 ℃温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008 nm·℃-1,温度所带来的湿度测量误差为0.047%RH·℃-1。传感器具有制作简单、灵敏度高、反射式能量检测等优点,在湿度测量领域有一定的应用价值。     

Acceleration test of substrate-packaged fiber Bragg grating sensor北大核心CSCD

To test whether the fiber Bragg grating (FBG) sensor can endure the steady-state inertial loads caused by the acceleration and the sensing properties during the loads, a FBG strain and temperature sensor with aluminium alloy substrate package was designed, and the acceleration performance on the sensor was tested. The sizes of FBG strain and temperature sensor were designed and its package process was described. The strain and temperature sensing mechanisms of FBG sensor were analyzed, and the spectrum detection and demodulation system based on volume phase grating and linear array photodetector was developed. Finally, the acceleration test equipment was established, and the acceleration performance test of the selected FBG strain and temperature sensor was carried out in accordance with the requirements and methods of GJB150.15A acceleration test. The experimental results show that in the 2 min performance test before and after the acceleration test, the wavelength offset is below to ±50 pm, and the change of light intensity is below to 0.3 V. In acceleration test, the maximum fluctuation of wavelength offset is ±7 pm, and the light intensity is in the range of 1.3 V~4.003 V. It is proved that the designed FBG sensor has the ability to endure the acceleration loads and has the good sensing performance during the acceleration loads. Copyright ©2022 Journal of Applied Optics. All rights reserved.