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80~300K温度范围, 裸FBG温度传感器的灵敏度为6.43pm/K, 线性度为0.974, 在80~230K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26pm/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。
光纤传感 光纤光栅 低温 黄铜管封装 温度灵敏度 fiber sensing fiber Bragg grating low temperature brass tube encapsulating temperature sensitivity
低维纳米材料的大比表面积极大提升了材料与环境气体分子的反应效率，对提高光纤氢气传感器中关键氢敏器件的灵敏度及响应速度有着至关重要的作用。提出了一种在油水界面自组装制备高性能金钯（Au-Pd）核壳纳米颗粒单层氢敏薄膜的方法，并制备了基于该薄膜的透射式光纤氢气传感器。实验中采用水热合成法制备粒径约12 nm的球形Au核，然后在Au核水溶液中加入Pd生长液，得到粒径约为20 nm的Au-Pd核壳纳米颗粒。采用十八胺修饰Au-Pd核壳纳米颗粒并通过相转移技术将颗粒转移到甲苯溶液中，最后在甲苯-水界面提拉制备覆盖率高并且空洞和堆积少的纳米颗粒单层氢敏薄膜。表征分析结果表明，形成的Au-Pd核壳纳米颗粒粒径均匀且结晶度好，制备的纳米颗粒单层薄膜排列致密覆盖率达87%。搭建了透射式光纤氢气器并测试了制备的Au-Pd核壳纳米颗粒单层膜在不同氢气浓度下的感氢响应特性。实验结果表明，单层纳米颗粒氢敏膜对4%的氢气响应时间约为3 s，对0.1%的氢气（氮气为载气）响应时间约为13 s，在多个循环的测试中表现出良好的稳定性，该传感器在低浓度氢气的快速、准确检测上具有良好的应用前景。
光纤传感器 氢气传感 Au@Pd纳米颗粒 自组装 纳米颗粒膜 optical fiber sensor hydrogen sensor Au @ Pd nanoparticles self assembly nanoparticle film
武汉理工大学 机电工程学院, 湖北 武汉 430070
为了实现对液压管路中液压油的压力和温度检测, 研制了一种EFPI-FBG复合压力温度传感器。对该传感器的压力特性以及温度特性进行研究。首先, 介绍了以光纤F-P腔和光纤光栅为敏感元件, 利用环氧树脂将EFPI-FBG复合结构经过封装保护构成压力温度传感器结构以及制作方法。接着, 建立了压力温度传感模型, 对传感器受力进行了理论分析, 并使用Matlab和有限元软件分析传感器的压力灵敏度和温度灵敏度。最后对传感器进行压力和温度实验验证。实验结果表明, 该传感器的压力灵敏度为2.83 μm/MPa, 温度灵敏度为1.97 μm/℃, 温度监测范围为10~80 ℃, 应用于压力测量时的有效工作温度为20~65 ℃。此EFPI-FBG复合压力温度传感器具有良好的线性度, 较小的回程误差, 灵敏度高, 抗震性能好, 可用于液压管路中液压油的压力和温度测量。
光纤传感 光纤EFPI 光纤光栅 高压传感器 温度补偿 optical fiber sensor extrinsic Fabry-Perot interferometer fiber grating high voltage sensor temperature compensation 光学 精密工程
2019, 27(10): 2080
武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070
考虑到FBG传感器用于机床应变监测时，胶黏剂蠕变对静态载荷下FBG应变传递的影响，研究了胶黏剂线黏弹性对粘贴式FBG应变传递的影响规律。基于粘贴层为线黏弹性材料重新建立了粘贴式FBG应变传递模型，并将粘贴层简化为三参量固体模型，得到了粘贴式FBG传感器瞬时和准静态的应变传递关系。然后，通过理论和实验分析了粘贴长度、宽度、高度和中间层厚度对瞬时和准静态应变传递的影响。实验结果表明: 在恒定应力作用下，黏接剂蠕变会导致FBG的应变随时间而变化，当粘贴长度在30 mm以上时，FBG应变传递率随时间的变化在4%左右; 当粘贴长度为15 mm时，应变传递率变化接近7%。分析该结果得出: 适当增加粘贴长度，减小粘贴中间层厚度可以减小胶黏剂蠕变对应变传递的影响。该结论对基于粘贴式FBG的高精密测量具有指导意义。
光纤传感 光纤布拉格光栅 应变监测 线黏弹性 蠕变 应变传递率 fiber optical sensor Fiber Bragg Grating (FBG) strain monitoring linear visco-elasticity creep strain transfer ratio
