基于圆弧摆线铰链的双光纤光栅加速度传感器

针对桥梁加速度传感器原位校准时标准传感器的选取问题,提出了一种基于圆弧摆线铰链的双光纤光栅加速度传感器。通过力学模型分析传感器谐振频率与灵敏度,根据桥梁原位校准要求对传感器结构进行参数优化,并进行静应力分析、模态分析和谐响应分析,最后制作传感器实物并进行标定。实验结果表明：传感器谐振频率为460 Hz,灵敏度约为43 pm/g,横向干扰能力程度5.7%,可用于桥梁上加速度监测。     

基于柔性铰链的光纤光栅二维加速度 传感器的优化设计

为实现对待测表面两个方向的振动监测,基于圆形柔性铰链设计了一种布拉格光栅双向加速度传感器.首先,推导出该传感器的谐振频率及灵敏度的理论公式,然后基于圆形铰链刚度的理论公式,推导并验证了铰链的刚度经验公式.通过MATLAB对传感器的数学模型进行优化设计,得到在满足工作要求时,传感器灵敏度达到最大时的尺寸参数.激振实验结果表明,该传感器的谐振频率约为368Hz,灵敏度约为107.3pm/g,横向抗干扰度为4.8%,谐振频率和灵敏度理论值与实际值的误差分别为-4.2%和7.0%.     

高灵敏光纤光栅加速度检波器理论模型研究

针对两点封装,建立光纤光栅加速度检波器通用模型,理论推导加速度检波器灵敏度和谐振频率的解析表达式,深入研究加速度灵敏度和谐振频率的影响因素,讨论封装光纤刚度系数与检波器结构刚度系数之比对检波器响应特性的影响,并分析刚度比分别在0~1、0~100范围随着等效质量的增大(0 g~100 g),加速度灵敏度和谐振频率的制约关系,及在0 Hz~500 Hz(中低频)和0 Hz~1 200 Hz(中高频)范围内灵敏度的变化规律。此外,分别以封装光纤长度为10 mm和60 mm举例分析长度对上述二者的影响,各项仿真中灵敏度均会高达~1 000 pm/G,并引入品质因数的概念。所提理论研究对FBG加速度检波器的设计和综合性能的评价具有重要的指导意义,为器件参数优化提供理论依据。     

低频高灵敏度光纤Bragg光栅振动传感器设计

为实现对低频振动信号的准确测量,设计了一种新型的双光纤光栅振动传感器.首先,理论分析了传感器的灵敏度和谐振频率.其次,使用ANSYS数值模拟软件分析了传感器的灵敏度和谐振特性.最后,根据分析结果设计了光纤Brgg光栅振动传感器,并通过实验研究了传感器的幅频特性、线性响应、温度自补偿特性和抗横向干扰特性.实验结果表明:传感器在10~130Hz范围内加速度灵敏度为231.48pm/g,线性度为99.98%;-20~60℃范围内,具有良好的温度自补偿能力;同时,该传感器具有较强抗横向干扰能力,横向引入误差小于3.47%.     

基于3D打印技术的全绝缘多简支梁光纤Bragg光栅振动传感器研究

设计一种融入3D打印技术,实现在高电压、强电磁场环境下检测振动信号的全绝缘多简支梁光纤Bragg光栅振动传感器。通过3D打印机制作而成,由粘贴于简支梁的光纤Bragg光栅受质量块驱动而产生应变,通过解调光栅波长变化量实现对振动信号的检测;有限元分析振动传感器谐振频率为232.47Hz,应变灵敏度为5.826με·g~(-1)时,加速度灵敏度为6.991pm·g~(-1),表明了传感器理论上的测量带宽及传感器对检测信号的反应程度良好。实验结果表明:传感器谐振频率为240Hz,加速度灵敏度为6.270pm·g~(-1),线性度为3.3%,表明了传感器实际的测量带宽及传感器对检测信号的反应程度;材料选用全绝缘的尼龙材料,具有良好的绝缘性。     

合金钢封装光纤Bragg光栅传感器传感特性的研究

提出了一种光纤光栅新型合金钢封装结构。利用等强度悬臂梁和温度控制箱对合金钢封装光纤布拉格光栅的应力和温度传感特性进行了测量。实验表明,采用该种封装的光纤光栅传感器保持了裸光纤光栅的响应灵敏度,其拉应变灵敏度系数为1.17pm/με,压应变灵敏度系数为1.2pm/με,温度灵敏度系数为11.3pm/℃,线性响应度在0.9995以上,可满足实际应用的要求。     

基于L形刚性梁与弹性膜片结构的低频光纤光栅加速度传感器

为满足低频振动信号精确测量的实际需要,设计了一种基于L形刚性梁与弹性膜片结构的光纤布拉格光栅加速度传感器。进行了结构理论分析,并通过Matlab仿真讨论了各结构参量对传感器灵敏度和谐振频率的影响,进行了参量优化设计。根据理论分析结果制作了加速度传感器并对其加速度灵敏度的幅频特性、线性响应和抗横向干扰特性进行了测试。实验结果表明,L形刚性梁的传动结构有效增强了结构稳定性,消除了传统悬臂梁结构带来的光纤光栅啁啾或反射谱多峰现象。加速度传感器在20~70 Hz的低频段具有平坦的灵敏度响应,加速度灵敏度可达220 pm/g,线性响应的相关度为99.98%;金属膜片使得该传感器具有较强的抗横向干扰能力,在工作频段内横向串扰为-32.73 d B。     

地表振动传感器质量对水平耦合谐频的影响*

使用振声法探测埋地物体时,表层土壤松软导致地表振动传感器在耦合环节发生谐振, 造成谐频附近的信号失真,限制了所采信号的可用频段。针对传感器在水平方向的耦合谐振问题,该文研究了传感器质量对谐振频率的影响。仿真对比了传感器质量为2~250 g情况下信号采集系统的频响特征,并在季节性的冻土地表开展了对比实验与横波波速测量实验。仿真与实验结果表明：250 g传感器所对应的耦合谐频不超过800 Hz;2 g传感器的耦合谐频可超过1200 Hz;传感器质量越轻,耦合谐振频率越高,所采信号的可用频段越宽。     

基于窄频分布反馈激光器和光纤光栅的加速度传感器

提出了一种用窄频分布反馈半导体激光器作为光源,光纤光栅作为传感元件的振动传感系统.给出了这个系统的工作原理和系统组成,设计了光纤光栅传感器的悬臂梁增敏封装形式.通过实验测量得到了频率响应曲线和加速度响应曲线,结果表明悬臂梁一端悬挂的质量块的质量越大,灵敏度越高,但共振频率也相应降低.同时讨论了不同黏度的硅油对共振的抑制效果以及系统灵敏度与分布反馈激光器输出波长的关系.     

一种新型光纤布喇格光栅振动传感器研究

为适合土木工程实际所需，提出了一种新型的、可放大振动信号、工作频带宽的光纤光栅低频加速度传感器.进行了参量优化设计，并在不同阻尼情况下进行了灵敏度、线性度、横向抗干扰和幅频特性等性能试验.试验结果表明：所设计的光纤光栅振动传感器方案是可行的；其线性度好，抗横向干扰能力强，通过合理调整阻尼，灵敏度可达到90 pm/ms－2，上限工作频率可取在系统无阻尼固有频率的80％左右.     

基于新型长周期光纤光栅的动态横向负荷传感器

首次发现高频CO₂激光脉冲写入的长周期光纤光栅(LPFG)具有很好的动态横向负荷响应特性——谐振峰幅值随横向负荷线性变化,其变化频率与横向负荷的变化频率完全相同根据这种动态横向负荷响应特性,提出了一套动态横向负荷传感器设计方案,用窄带光源作为输入,基于LPFG的滤波原理,测量光电探测器的输出就可以获得动态横向负荷该方法仅需对LPFG的谐振峰幅值进行测量,方便简捷,实时性好.     

色散补偿光纤上刻写的光纤光栅对纵向拉力和温度的同时测量

在色散补偿光纤上刻写光栅,形成全光纤复合传感结构,将干涉结构和光栅结构集成在同一段光纤内.分析了干涉包层模式和布拉格谐振峰对纵向拉力以及温度的响应机理.通过监测包层模式和布拉格谐振峰的波长漂移量,建立矩阵方程,实现对纵向拉力和温度双参量的同时测量.实验结果表明,包层模式和布拉格谐振峰对温度的响应灵敏度分别为49.4pm/℃和11.0pm/℃,包层模式对纵向拉力的响应灵敏度为1.05pm/με,布拉格谐振模式对纵向拉力的响应灵敏度为0.651pm/με,且这四个参数均表现出良好的线性度.该传感器结构采用低阶包层模式和纤芯基模模式,对外界环境折射率不敏感,能较好地应用于纵向拉力和温度的同时测量中.     

液体绝缘对光纤法布里-珀罗局放超声传感器特性参数影响

非本征光纤法布里-珀罗(F-P)传感器已被用于液-固复合绝缘局部放电检测,但存在液体黏滞阻尼和附加质量影响传感器固有频率和灵敏度的问题。采用有限元方法计算传感膜片在油和空气介质中受迫振动幅频响应,并分析不同温度下传感器幅频特性和灵敏度。提出F-P传感器的液体隔离结构,消除介质对其参数的影响。制备FP传感器并构建实验系统,测试不同温度下两种结构传感器的幅频特性。实验结果表明:液体绝缘油中,F-P传感器因黏滞阻尼和附加质量导致固有频率下降约0.58,幅频曲线带宽变大,响应幅值降低;液体介质温度升高,传感器固有频率增加,幅频曲线带宽变小,响应幅值增加,灵敏度变大;液体隔离结构的F-P传感器不受介质黏滞阻尼和附加质量影响。     

基于空芯光纤和光纤布拉格光栅的温度应变同时测量传感器

提出一种新颖的温度和应变双参数同时测量的光纤传感器。该传感器由空芯光纤和光纤布拉格光栅级联而成。空芯光纤通过反谐振机理将光限制在空气纤芯内传输,满足谐振条件的光泄露出空气芯,在传输光谱上表现为周期性损耗峰。由于空芯光纤和光纤布拉格光栅的物理机理不同,对外界温度、应变的响应存在差异,利用耦合矩阵则可以精确地实现温度和应变双参数的同时测量。实验结果表明,在1550nm波长附近,空芯光纤和光纤布拉格光栅对应的温度灵敏度分别为24.55 pm/℃和12.76 pm/℃,应变灵敏度分别为-0.70pm/με和1.02pm/με,该级联结构的传感器制作简单且具有较高的测量精度。     

基于粗锥结构级联LPFG的双包层光纤多参量传感器

提出了一种基于模间干涉的测量温度、折射率和轴向应变的光纤传感器.在单模光纤与双包层光纤熔接点处形成粗锥,再与两个周期不同的长周期光纤光栅级联,由于模场失配,激发高阶模,形成三个谐振峰,且对不同参量有不同的灵敏度响应,通过解调三个谐振峰的波长漂移,利用系数灵敏度矩阵,可以测量温度、折射率和轴向应变.实验结果表明,温度在25℃～75℃范围内,灵敏度分别为60.07 pm/℃,6.47 pm/℃和103.83 pm/℃;折射率在1.335 5～1.359 5范围内,灵敏度分别为-56.64 nm/RIU,34.02 nm/RIU和-214.84 nm/RIU;轴向应变在200με～1 400με范围内,灵敏度分别为-2.14 pm/με,-3.61 pm/με和-2.59 pm/με,且分辨率分别为1.29℃、0.000 42 RIU和21.42με.该传感器具有灵敏度高、线性度良好等优点,可广泛应用于多参量测量领域。     

应变石墨烯纳米带谐振特性的分子动力学研究

从动势能转换与守恒原理出发,在微正则(NVE)系综下,采用COMPASS力场对石墨烯纳米带及其应变传感器的谐振特性进行了分子动力学模拟.研究发现,非线性响应主导了石墨烯纳米带的动态行为,而其超高的基波频率则与长度和边界条件密切相关;单轴拉伸应变对石墨烯纳米带基波频率的影响显著且强烈依赖于边界条件,四边固支型应变石墨烯纳米带具有更高的频移,其灵敏度可高达7800 Hz/nanostrain,远大于相同长度碳纳米管应变传感器的灵敏度;石墨烯纳米带及其应变传感器的谐振特性均与手性无关.本文所得结果表明,由于超低 关键词： 石墨烯纳米带 分子动力学 应变 基波频率     

侧面压迫式及端面拉伸式增敏光纤光栅水声传感器

研究了采用侧面压迫式增敏和端面拉伸式增敏的无源光纤光栅水声传感器。采用灌注和弹性片端面增敏两种方案分别对光纤光栅传感器进行增敏。研究结果表明灌注方案谐振频率过低(300Hz),高频灵敏度过低(小于-205dB),且制作工艺要求比较复杂;弹性片端面增敏方案采用铍铜片进行增敏,在100～1000Hz频率范围内灵敏度为(-175±2)dB。对端面增敏传感器进行了封装,并应用于水声的检测实验。实验表明,该传感器在灵敏度及灵敏度频响指标上已经可以满足应用要求。     

复合液腔高灵敏度水听器

探索新的换能器结构是提高换能器性能的主要途径之一。设计了一种利用液腔结构提高接收灵敏度的水听器,称为复合液腔水听器。该水听器用压电陶瓷圆管作为敏感材料,并将其放在一个底部开孔的金属圆桶内。在流体中,开孔圆桶形成两个频率不同的液腔谐振模态,并与压电陶瓷圆管的径向谐振模态衔接在一起,形成具有一定带宽的高接收灵敏度频段。采用有限元方法对水听器进行了优化设计并研制了水听器样机。水池测试结果表明,该水听器样机在1.5 k Hz～11.5 k Hz频率范围内灵敏度保持在-185 d B以上,比传统的压电陶瓷圆管水听器结构具有显著优势。     

20～1250Hz光纤激光加速度传感系统设计

为了实现高灵敏度、宽频响应的光纤型加速度传感器,以光纤激光器作为加速度传感器的传感元件,建立了光纤激光加速度传感系统,并对该系统的传感原理、灵敏度和谐振频率等性能进行了分析和实验。采用竖直式加速度传感器结构,结构中的传感组件主要由质量块和中空的细钢管组成,光纤激光器受预应力作用后粘接在钢管内部,在加速度作用下,钢管产生的应变引起光纤激光器的应变和折射率发生改变,导致光纤激光器的出射波长随之发生改变,然后使用干涉解调技术检测出波长的动态变化,即可获得波长中包含的加速度振幅和频率信息。实验结果表明,在20~1 250 Hz频段内,竖直式光纤激光加速度传感器的灵敏度约为-126.2 d B[参考值1 rad/(μm/s~2)],频响曲线的波动幅度在±1.9 d B范围内,加速度响应动态范围为77.46~170.26 d B[500 Hz频点,参考值1μm/(s~2·Hz1/2)],加速度分辨率优于0.01 m/s~2。     

耦合型高频光纤振动传感器实验研究

提出了一种耦合型高频光纤振动传感器,并设计了相应的解调电路和信号处理系统.对高频振动信号的响应波形和频率进行了测量,研究了光纤传感器对不同的振动强度和不同方向的振动信号的响应,分析了不同结构和不同材质的传输介质对光纤传感器测量结果的影响.实验证明所设计的耦合型高频光纤振动传感器截止频率达到8 kHz,振幅测量灵敏度为325 mV/mm,频率和幅值响应误差小于1%.