光纖布拉格光柵的翼型懸臂板荷載監(jiān)測(cè)

提出了一種基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個(gè)線性區(qū)監(jiān)測(cè)單個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號(hào)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但易受光源抖動(dòng)及系統(tǒng)其他不穩(wěn)定因素等帶來(lái)的系統(tǒng)噪聲的影響。為消除系統(tǒng)噪聲帶來(lái)的不利影響,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)系統(tǒng)利用級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的兩個(gè)線性區(qū)同時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號(hào)。分別用原系統(tǒng)及其改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)驗(yàn)的溫度測(cè)量范圍為-70～-115°c。原系統(tǒng)的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進(jìn)系統(tǒng)的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)系統(tǒng)能有效消除系統(tǒng)噪聲,提高系統(tǒng)的精度。

針對(duì)傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測(cè)技術(shù)中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實(shí)現(xiàn)體內(nèi)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)原理及應(yīng)用方式.基于fbg應(yīng)力傳感原理,將不同中心波長(zhǎng)的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進(jìn)行載荷實(shí)驗(yàn),隨后將采集的布拉格波長(zhǎng)換算成形變,實(shí)時(shí)顯示骨骼受載荷時(shí)的形變趨勢(shì).實(shí)驗(yàn)采用在多點(diǎn)粘貼f3g的方式,避免了溫度、應(yīng)變交叉?zhèn)鞲械膯?wèn)題.實(shí)驗(yàn)表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長(zhǎng)變化與該位置受力產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達(dá)39.00525pm/mm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)發(fā)展微型、實(shí)時(shí)、集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

根據(jù)理想模展開(kāi)下的耦合模方程,對(duì)光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達(dá)式。全面討論了光柵周期、光纖柵長(zhǎng)、光致折射率微擾最大值等參數(shù)與光纖光柵反射光譜的關(guān)系。仿真結(jié)果顯示了固定參數(shù)下布拉格光柵的極限窄帶寬,得到的反射率為1、帶寬為0.02nm的窄帶寬布拉格光柵,比現(xiàn)今分布式傳感系統(tǒng)中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個(gè)數(shù)量級(jí)。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統(tǒng),可大大提高分布式傳感系統(tǒng)中光源的帶寬利用率,消除各信號(hào)間的相互串?dāng)_,提高傳感光柵復(fù)用數(shù)目,降低解調(diào)系統(tǒng)成本。

分析光纖光柵傳感原理,闡述可調(diào)光纖f-p濾波器的工作機(jī)理和特點(diǎn),并介紹了基于arm實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)傳感器的解調(diào)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。采用三星公司的s3c44box對(duì)經(jīng)過(guò)可調(diào)諧f-p腔解調(diào)后的波長(zhǎng)信息進(jìn)行采集,并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)可以滿足一般的工程要求。

從布拉格光柵方程出發(fā),理論上分析了在溫度、應(yīng)變雙參量同時(shí)測(cè)量時(shí),考慮溫度-應(yīng)變交叉靈敏度、二階應(yīng)變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應(yīng)變測(cè)量的誤差的一般數(shù)學(xué)公式.結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度和應(yīng)變的誤差計(jì)算,得出3個(gè)二階靈敏度在不同的溫度變化、應(yīng)變范圍內(nèi)對(duì)測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)不同.同時(shí)給出了波長(zhǎng)的漂移量與溫度、應(yīng)變呈線性關(guān)系時(shí),溫度變化和應(yīng)變的范圍.

推導(dǎo)并驗(yàn)證了非啁啾取樣光纖布拉格光柵(sfbg)反射譜中反射峰值波長(zhǎng)的表達(dá)式?；诜N子光柵中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的折射率調(diào)制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調(diào)制函數(shù)的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度和各階光柵周期,從而導(dǎo)出其反射峰值波長(zhǎng)的表達(dá)式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)參量,因而表達(dá)式能夠描述反射峰的分布。仿真實(shí)驗(yàn)中,不同占空比或取樣周期下計(jì)算出的反射峰值波長(zhǎng)、信道間隔符合數(shù)值反射譜。該表達(dá)式既適用于均勻取樣光纖布拉格光柵,也適用于交流切趾和交直流切趾取樣光纖布拉格光柵。

研究了單模光纖布拉格光柵的偏振相關(guān)損耗(pdl)特性。運(yùn)用耦合模理論和瓊斯(jones)矩陣提出了反射光的有效偏振相關(guān)損耗(pdleff),并模擬了其隨光柵參數(shù)和雙折射量的變化性質(zhì)。光柵反射光的偏振相關(guān)損耗在反射譜的帶邊處明顯地表現(xiàn)出來(lái),特別是帶邊比較陡峭時(shí)。結(jié)果表明,光柵的有效偏振相關(guān)損耗明顯地依賴于光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和雙折射量。光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨光柵長(zhǎng)度和調(diào)制深度的增加急劇增大。對(duì)于給定光柵長(zhǎng)度和調(diào)制深度的光柵,光柵雙折射量小于2×10-5時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨雙折射的增大迅速增大;光柵雙折射量大于2.5×10-4時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗的兩個(gè)主峰的寬度變大并在其上有子峰,隨雙折射的繼續(xù)增大,兩主峰間距增大而子峰變小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬基本吻合。

針對(duì)大型的碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼盒段壁板結(jié)構(gòu),提出使用光纖布拉格光柵測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)變場(chǎng)分布,通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判別結(jié)構(gòu)損傷的方法,對(duì)典型的飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料盒段壁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)研究。研究了損傷對(duì)機(jī)翼盒段壁板結(jié)構(gòu)應(yīng)變場(chǎng)的影響,研究結(jié)果表明,光纖布拉格光柵作為傳感器可以較好地應(yīng)用于航空材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的判別方法可以較準(zhǔn)確地判別出結(jié)構(gòu)損傷的位置和程度。

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據(jù)鍍nifbg的特點(diǎn),分析了鍍nifbg溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變,從理論上推導(dǎo)出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,用理論證明了鍍nifbg的波長(zhǎng)漂移、應(yīng)力和應(yīng)變與溫度變化成線性關(guān)系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關(guān)系。用an-sys軟件對(duì)鍍nifbg在溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了仿真。理論分析得到鍍層厚度為4.56μm的鍍nifbg的溫度靈敏度為14.3306pm/℃,實(shí)驗(yàn)值為14.113pm/℃。理論、實(shí)驗(yàn)和仿真得到了一致的結(jié)果。

基于光纖光柵傳感技術(shù),采用光纖光柵應(yīng)變計(jì)、光纖光柵溫度計(jì)、光纖光柵位移計(jì)對(duì)一座既有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試;對(duì)比分析了傳統(tǒng)傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明:傳統(tǒng)傳感器和光纖傳感器實(shí)橋測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實(shí)際受力狀態(tài);且光纖光柵傳感器可以真實(shí)反映加載的整個(gè)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)加載過(guò)程的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控。

采用數(shù)值模擬的方法研究了光纖布拉格光柵(fbg)的非線性雙穩(wěn)開(kāi)關(guān)特性。從耦合模理論出發(fā),利用jacobi橢圓函數(shù)法得到了3種不同的解,首先對(duì)3種解下的非線性雙穩(wěn)開(kāi)關(guān)特性分別進(jìn)行比較,然后針對(duì)各個(gè)解下的影響開(kāi)關(guān)特性的失諧量、耦合系數(shù)和光柵長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行分析,研究結(jié)果對(duì)于分析和構(gòu)建非線性雙穩(wěn)fbg光開(kāi)關(guān)具有一定的意義。

提出了基于可調(diào)激光器和聲光脈沖調(diào)制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統(tǒng),同時(shí)利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結(jié)合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的傳輸距離,達(dá)到了300km的超長(zhǎng)距離傳感。該系統(tǒng)通過(guò)前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來(lái)補(bǔ)償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長(zhǎng)度時(shí)獲得了大于15db的優(yōu)良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號(hào)。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中,線性度均達(dá)到了0.999以上。系統(tǒng)可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長(zhǎng)距離遙測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵(fbg)的布拉格波長(zhǎng)漂移。通過(guò)檢測(cè)2個(gè)fbg的波長(zhǎng)漂移差,得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。雙fbg通過(guò)補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了fbg傳感器的交叉敏感問(wèn)題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過(guò)程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,從而減少了測(cè)量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對(duì)誤差為4.31%,結(jié)果表明,該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

兩電流產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長(zhǎng)漂移。通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)布拉格光柵的波長(zhǎng)漂移差,得到被測(cè)電流。雙光纖布拉格光柵通過(guò)補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問(wèn)題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過(guò)程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,從而減少了測(cè)量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對(duì)誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

為了安全可靠地建好每座大跨橋梁,就要對(duì)每座橋的施工過(guò)程進(jìn)行安全監(jiān)測(cè),傳統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)方法是采用電測(cè)技術(shù),由于抗電磁干擾性差等原因,測(cè)試的數(shù)據(jù)真實(shí)性差。筆者在布拉格光纖光柵的傳感原理、室內(nèi)懸臂梁試驗(yàn)和埋設(shè)工藝的研究基礎(chǔ)上,成功地在黑大公路牛頭山大橋上布設(shè)了布拉格光纖光柵應(yīng)變傳感器,為對(duì)比布拉格光纖光柵的監(jiān)測(cè)結(jié)果,埋設(shè)了應(yīng)變磚測(cè)試混凝土的應(yīng)變,監(jiān)測(cè)了該橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁先簡(jiǎn)支后連續(xù)施工的全過(guò)程,施工監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:布拉格光纖光柵監(jiān)測(cè)大橋施工結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠,同時(shí)證明該光纖光柵測(cè)試技術(shù)可以用于橋梁施工過(guò)程的安全監(jiān)測(cè)且結(jié)果明顯好于傳統(tǒng)的電測(cè)技術(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)加速度信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量,提出了一種新穎的雙懸梁fbg加速度傳感器。設(shè)計(jì)了傳感器的結(jié)構(gòu)及封裝方法,理論分析了傳感器的工作原理。實(shí)驗(yàn)研究了傳感器的線性響應(yīng)、溫度響應(yīng)、共振頻率和方向抗干擾特性,結(jié)果表明,傳感器的加速度響應(yīng)靈敏度為7.81pm/m/s2,相對(duì)誤差為2.62%,加速度與波長(zhǎng)具有較好的線性關(guān)系,線性度為99.8%;在67.5～27.5℃內(nèi)進(jìn)行了溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),能有效消除溫度的影響;傳感器具有較好的平坦區(qū)和較強(qiáng)的抗干擾能力。

采用聚焦的紅外飛秒激光對(duì)紫外激光刻寫(xiě)的ⅰ型光纖布拉格光柵(fbg)分別進(jìn)行了單點(diǎn)和掃描式曝光實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)研究了飛秒激光脈沖能量遠(yuǎn)低于光纖的損傷閾值情況下,脈沖激光對(duì)光柵光譜的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),激光單點(diǎn)照射柵區(qū)任意位置時(shí),照射過(guò)程中的光譜有較大紅移,且光譜結(jié)構(gòu)不再是單透射峰而是不規(guī)則的多透射峰;然而照射結(jié)束后的布拉格波長(zhǎng)藍(lán)移且光柵透射率增加,隨著曝光時(shí)間的增加該變化逐漸趨于飽和。通過(guò)建立非均勻溫度場(chǎng)擴(kuò)散模型,激光誘導(dǎo)的折射率變化會(huì)疊加在原光柵的折射率調(diào)制分布上,理論仿真了不同曝光時(shí)間后和曝光過(guò)程中的光譜變化,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

文中介紹了光纖布拉格光柵的原理;根據(jù)耦合模方程,介紹了幾種光柵的仿真方法;分別以光纖布拉格光柵濾波器、色散補(bǔ)償器、相移光柵和采樣光柵為例說(shuō)明了光纖光柵的設(shè)計(jì)方法。

根據(jù)耦合模理論,數(shù)值模擬了多模光纖布拉格光柵的傾斜角度對(duì)纖芯基模向纖芯高階模式的轉(zhuǎn)換問(wèn)題.反射光譜的數(shù)值計(jì)算中,假定只有l(wèi)p01模式激發(fā)情況下lp01模式與lp11模式的轉(zhuǎn)換。

利用有限元法對(duì)一種柚子型光子晶體光纖中的傳輸模式進(jìn)行了模擬,得到了各傳輸模式的有效折射率和模場(chǎng)分布。結(jié)合耦合模理論和相關(guān)函數(shù)方法,對(duì)柚子型光子晶體光纖布拉格光柵反射譜進(jìn)行了理論分析,解釋了柚子型光纖光柵出現(xiàn)多個(gè)諧振峰的原因;數(shù)值分析了光纖纖芯直徑和空氣孔尺寸對(duì)光柵傳輸譜的影響。結(jié)果表明諧振峰波長(zhǎng)隨纖芯直徑的增大向長(zhǎng)波方向漂移,而隨空氣孔增大向短波方向移動(dòng),并且不同諧振模式的變化幅度不同;利用相位模板法寫(xiě)制了光子晶體光纖光柵,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析能夠很好地吻合。

基于光纖布拉格光柵傳感器的基本原理,對(duì)在土木工程中的應(yīng)用作了詳細(xì)的闡述;為進(jìn)一步了解其性能,對(duì)布拉格光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行了抗電磁干擾、抗零飄、重復(fù)性等性能進(jìn)行測(cè)試,并與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片做了對(duì)比,顯示了令人滿意的效果,為工程健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用指出了廣闊的前景。

理論分析和模擬計(jì)算了少模光纖布拉格光柵基模及高階模的耦合與傳輸特性,得到在相同外部折射率變化情況下,少模光纖基模與高階模耦合對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)變化,比正、反向基模之間耦合對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)變化顯著增大。實(shí)驗(yàn)上制作了少模光纖布拉格光柵,測(cè)量了基模之間以及基模與高階模之間對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結(jié)果。而對(duì)于溫度變化對(duì)折射率測(cè)量結(jié)果干擾的問(wèn)題,提出了通過(guò)計(jì)算布拉格波長(zhǎng)差來(lái)克服溫度影響的方法。這些結(jié)果為采用布拉格光纖光柵測(cè)量外部折射率變化提供了一種新的途徑。