高温光纤光栅的研究进展

为了满足航空航天、导弹制导、冶炼等一些高温领域的传感测量需求,国内外学者对高温光纤光栅进行了大量的研究工作。对已报道的主要的高温光纤光栅进行了综述,按照光栅结构、特点和所用光纤的不同,将其分为Ⅱ型光纤光栅、ⅡA型光纤光栅、化学组分光纤光栅、掺杂特殊离子的光纤光栅、结构变化型长周期光纤光栅等,逐类进行了说明并对它们的制作方法、高温特性、优缺点等进行了介绍和简评,并对其发展前景和应用进行了展望。     

应用于特殊环境的光纤光栅温度压力传感器

目前,光纤光栅温度压力传感器在航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域的应用非常广泛。由于其可以实现对温度、应变等物理量的直接测量,因此针对光纤光栅温度压力传感器的开发更多的集中于在特殊环境下的应用研究。本文以高温高压油井的特殊环境为例,对光纤光栅温度压力传感器进行了温度补偿式光纤光栅温度压力双参量传感系统的设计,并结合环境的特点进行了传感器相关器件的选择和调整。通过实验测试明确了该设计提高了光纤光栅温度压力传感器的适应性,完全能满足在特殊环境下的工作需求。     

一体式光纤光栅三维加速度传感器

提出了一种基于光纤光栅(FBG)的一体式三维加速度传感器.该传感器以十字梁为弹性体,采用有限元分析方法研究了弹性体的应变分布特征,5个光纤光栅按照特定的规则被封装在梁的表面.通过将两两组合的光纤光栅波长漂移量的差值作为传感器不同振动方向的输出信号,实现三维加速度的低耦合测量及温度补偿.振动测试结果表明,该传感器在x、y和z方向的谐振频率分别为2000,1920,1160 Hz,工作频带分别为20～1400 Hz、20～1300 Hz和10～800 Hz,在x、y和z方向的灵敏度分别为1.36,1.70,1.31 pm/g.该传感器具有良好的线性度、弱耦合性和温度补偿能力.     

光纤光栅微型倾角传感器研究

介绍了一种温度不敏感的光纤光栅二维倾角传感器,该传感器是由4个正方形排列的单模光纤组成。首先在两个单模光纤中分别写入两个级联的光纤光栅,并且这两个光纤被固定于两个正交的平面。然后将4个单模光纤粘贴在一起,形成光纤束。最后将合成的光纤束插入陶瓷插芯中,并保证级联的两个光纤光栅分别位于陶瓷插芯内外。通过测量两个级联光纤光栅的中心波长间距,实现二维温度不敏感的倾角传感。实验表明,该传感器在-30°到﹢30°范围内,其中心波长差与倾斜角度数之间满足良好的线性关系,灵敏度为0.017 nm/°,分辨率可达到0.58°。     

弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器的研究

为了研究弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器谐振波长漂移量与光栅弯曲形变的关系,采用耦合模理论和计算机模拟方法进行了理论计算和仿真研究,推导出弯曲光子晶体光纤长周期光栅谐振波长表达式,设计了一般弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器系统模型,分析了弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器的基本工作原理,并计算了长周期光子晶体光纤光栅弯曲曲率、光栅有效折射率和谐振波长与弯曲应变的关系。结果表明,随着光栅弯曲形变的增加,光栅的曲率会增加,光栅传感器的谐振波长漂移量会增加,光栅每发生1变化,光栅谐振波长的漂移量变化0.014nm。     

一种同时测量温度和应变的光纤光栅传感器

报道了一种新型实用的用单根光纤布拉格光栅(FBG)实现温度和应变分离传感的技术。当光纤光栅一部分包层直径变小时，整个光栅可以看成由两个周期相同但直径不同的子光栅连接而成。理沦分析和实验都证实了这两个子光栅具有相同的温度敏感性和不同的应变敏感性．由此实现光纤光栅传感器中温度和应变两参数的分离测量，而且这两个子光栅的中心波长间距可以直接测量应变大小．温度变化不影响所测量的应变值。实验中光栅的一部分包层直径被HF酸腐蚀到82μm．获得了两子光栅应变响应系数分别为0．00201nm/με．0．000858nm/με，二峰间距的应变响应系数为0．00116nm／με．二峰的温度响应系数均为0．01nm/℃的测量结果．依据这些结果可以对温度和应变进行同时分离测量。     

基于长周期光纤光栅的光纤液位传感器

为了测量液位在警戒值附近变化的情况, 采用新款光纤熔接机制作了一种基于锥形结构的长周期光纤光栅测量液位的光纤传感器, 对传感器进行了理论分析, 搭建了液位传感实验系统, 根据传感器对外界环境的折射率灵敏度, 测量浸没在液体中的光纤长度。结果表明, 在0 mm~12 mm的液位测量范围内, 光纤液位传感器的峰值波长灵敏度和透射功率灵敏度分别是0.700 nm/mm和1.377 dB/nm。该传感器对液位变化测量较为准确, 且采用刻栅方式可有效解决传统长周期光纤光栅中存在的非对称模耦合和偏振依赖性高等问题, 同时具有制作简单、成本低和应用前景广泛等优点。     

光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题分析

解决应变、温度的交叉敏感,实现应变、温度同时测量一直是光纤光栅传感器研究的关键问题,文章从其产生机理出发,分析讨论了国内外解决此问题的最新进展,并提出了一种新颖的应变、温度光纤光栅传感器。     

高分辨率光纤光栅温度传感器的研究

报道了一种具有高分辨率和高效且价廉的解调系统的光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器.提出了光纤光栅的金属槽封装技术,以提高传感光栅的温度灵敏性.研究了金属槽封装光栅的温度灵敏性,理论分析和实验结果表明,封装光栅的温度灵敏系数比普通裸光栅提高了3.6倍.系统利用一长周期光栅(LPG)作为线性滤波器,宽带光源经此长周期光栅调制后入射到传感光栅,可解调布拉格传感光栅的波长位移.理论分析与实验结果一致,系统可达到的温度分辨率为0.02℃.     

光纤布喇格光栅应变传感器

介绍了基于芯内布喇格光栅的光纤应变传感器，讨论了有关的技术及其特点。     

一种新型金属封装的光纤法珀温度传感器

设计制作了一种金属封装的光纤法珀温度传感器,该传感器采用不锈钢毛细金属管代替传统的空心光纤对光纤法珀腔进行封装,毛细金属管在作为法珀腔腔体的同时也是温度敏感元件。采用该结构简化了光纤法珀温度传感器的封装工艺,理论分析和实验的结果表明,该金属封装结构使得传感器的灵敏度易于控制,对于腔长为10mm的温度传感器其精度达到±0.5℃。     

一种新型金属封装的光纤法珀温度传感器

设计制作了一种金属封装的光纤法珀温度传感器，该传感器采用不锈钢毛细金属管代替传统的空心光纤对光纤法珀腔进行封装，毛细金属管在作为法珀腔腔体的同时也是温度敏感元件。采用该结构简化了光纤法珀温度传感器的封装工艺，理论分析和实验的结果表明，该金属封装结构使得传感器的灵敏度易于控制，对于腔长为10mm的温度传感器其精度达到±0.5℃。     

基于F-P腔的干涉/强度调制型光纤温度传感器

介绍了一种基于非本征F P腔的干涉/强度调制型光纤温度传感器。宽谱光源发光二极管(LED)发出的光经过2×2耦合器C1 传给F P传感头,传感头返回光信号再次经过耦合器C1 及C2 后分成两路,一路直接传给光电探测器D1,另一路经过窄带滤光片再传给D2,光信号经光电转换及放大后由计算机采集处理。给出了采用不同谱宽的两路光信号进行自补偿运算和温度测量的理论模型,并简单分析了影响这一温度传感器长期稳定性的原因。实验中利用Levenberg Marquardt非线性拟合得到与理论模型符合很好的温度定标曲线。该传感器在 20~200℃量程内,温度变化最小分辨率达到0 .1℃,长期测量精度达到±0. 2℃。     

轮辐式温度自动补偿型光纤光栅测力传感器

采用轮辐式传感机构设计，将两个不同波长的布拉格光栅与轮辐中性轴线同时成相同角度，粘贴在两个对称轮辐侧面的中间位置构成传感头。利用光纤光栅波长绝对编码的特性，设计并研制了轮辐式温度自动补偿型光纤光栅测力传感器。理论分析和实验结果证明，该传感器具有温度自动补偿特性，可用于压力和拉力的高精度感测，其最大力的测量值达到3kN，温度自动补偿范围为20℃～75℃。     

用于测量空间温度场的分布式光纤传感器的系统设计

文中首先介绍了喇曼散射，并对分布式光纤温度传感器进行了理论分析，最后着重介绍我们研制的一种能够实际使用的喇曼散射分布式光纤温度传感器系统的设计和应用。     

基于参考光栅的光纤光栅应变传感器温度补偿

为解决光纤布拉格光栅（FBG）应变测量时的应变、温度交叉敏感问题，利用FBG便于构成传感网络的优点，将温度补偿参考FBG与应变测量FBG串联在一路光纤上，根据2只FBG布拉格波长相对漂移获得被测结构应变。双FBG波长相对漂移对温度的灵敏度仅为0．12pm／℃，较好地实现FBG应变测量的温度补偿。参考FBG法原理简单，可操作性强，为FBG应变传感器的实际工程应用奠定了基础。     

基片式光纤光栅应变传感器的应变传递研究

为了实现光纤光栅传感器对基体表面应变的准确监测,以基片式光纤布拉格光栅(FBG)传感器为研究对象,推导了基片式FBG应变传感器所测应变与基体应变之间的关系,即应变传递系数表达式。实验上,将实验室封装的铜基片式应变传感器黏贴在圆柱形试件上,测定了该传感器的应变传递系数。结果表明,理论所得的应变传递系数与实验所测的应变传递系数之间的误差很小,证明了应变传递系数推导的合理性,为基片式传感器的封装和使用提供了理论指导。     

高可靠光纤布拉格光栅传感器网络设计

对采用光纤布拉格光栅(FBG)传感器网络监测某飞机机翼盒段外加载荷位置信息进行了研究。研究了FBG传感器网络中传感器失效对外加载荷位置识别精度的影响程度;针对传统FBG传感器网络拓扑结构可靠性低的缺点,引入光开关,设计了一种具有更高可靠性的传感器网络拓扑结构,并对这两种网络结构的可靠性进行了研究。结果表明,新传感器网络的可靠性明显高于传统传感器网络的可靠性。单个传感器的失效概率不同,两种传感器网络可靠性差别也不同;当单个元器件的失效概率在0.001~0.01之间变动时,若系统允许外加载荷位置识别误差在5 mm内,则新传感器网络的失效率降为传统网络失效率的50%;若系统允许外加载荷位置识别误差在10 mm内,则新传感器网络的失效率至少降低为传统网络失效率的12.5%。