围绕工字钢梁损伤识别问题,研制了一种新型双端固定梁结构光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器,实现了工字钢梁振动响应的有效获取。在此基础上,研究了工字钢梁损伤自动识别方法,利用其对FBG振动传感器获取的振动响应进行处理。该方法采用小波包能量比变化偏差(ERVD)作为损伤特征,进而基于极限学习机(ELM)算法实现工字钢梁损伤状态识别。传感器仿真模拟和实验测试结果表明:设计的FBG振动传感器频率响应范围为10~350 Hz,在加速度响应范围为0.2g~3.0g时,灵敏度为6.7 pm/g,具有良好的线性度和横向抗干扰能力。工字钢梁损伤识别实验结果表明:所提方法对工字钢梁的损伤状态识别准确率达到96.7%,与常规的基于back propagation(BP)神经网络的损伤识别方法相比,准确率提高了3.4个百分点。

光纤传感技术以其抗电磁干扰、 高精度、 易组网等优势在航空航天及地下工程领域的声发射传感中得到了广泛应用。 针对光纤光栅声发射监测系统, 目前研究侧重于均匀光纤光栅的动态应变场传感特性, 基于相移光纤光栅(phase-shifted fiber Bragg grating, PS-FBG)这一新型光纤光栅器件, 重点研究声发射激励产生的动态应变场下相移光纤光栅的光谱特性变化规律。 首先利用传输矩阵理论, 建立PS-FBG的动态应变传感模型, 利用指数衰减的余弦函数模拟声发射激励产生的动态应变场。 通过数值仿真, 详细研究PS-FBG光谱对动态应变场幅度、 采样时刻、 衰减系数、 声发射频率及波长的响应特性。 结果表明, PS-FBG反射谱形状随声发射频率与采样时刻呈现周期性变化, 具体表现为透射窗口所对波长产生周期性漂移, 而带宽变化不明显； 随着动态应变场幅值越大, PS-FBG反射谱的谐振峰向两侧逐渐增多, 透射窗口所对波长漂移很小； 一定范围内衰减系数对PS-FBG光谱影响较大； 而当声发射波长为0.1～2 L时, 对PS-FBG光谱产生较大影响, 此时光谱畸变较严重, 在此范围外, 光谱形状不发生明显变化。 最后, 搭建连续信号激励下的动态应变场实验平台, 分析不同幅度a与频率f变化下PS-FBG的光谱特性, 实验结果与仿真结果较好吻合。 表明PS-FBG光谱对不同声发射激励产生的动态应变场响应不同, 呈现一定规律性, 该研究为基于相移光纤光栅传感技术的声发射传感提供理论指导。

为实现敏感元件仅为单一光纤光栅流速传感器的多参数同时测量,提出了一种流速/温度共采的光纤布拉格光栅(FBG)涡轮流速传感器。该传感器通过涡轮实现流体冲击力对光纤光栅中心波长的频率调制,解决光纤光栅温度应变的交叉敏感,理论计算得到其流速检测灵敏度为2.91·10-2 m/(s·Hz-1)。为测试传感器的性能,搭建了传感器测试系统,并选取光纤动态解调仪解调的光纤光栅中心波长动态信号作为试验原始数据。应用快速傅里叶变换(FFT)法分析试验数据,得到传感器流速的检测下限为0.541 7 m/s,检测灵敏度为2.57·10-2 m/(s·Hz-1),检测精度为25 mm/s,略小于理论计算值,其主要原因在于圆管内流体的流速并非均匀分布的匀速运动,管道内壁对流体具有一定的黏滞力。应用经验模式分解分析原始数据获取其趋势项信号,得到该传感器的温度灵敏度为10.6 pm/℃,检测精度为0.5 ℃。

目前柔性结构损伤检测需多个传感器, 且需要探测器具有极高的采集频率。光纤光栅具有动态响应快、 易实现分布式测量等特点, 为解决上述问题提供了有效的途径, 提出采用线性啁啾光栅(LCFBG)实现动态应力场探测。首先, 用传输矩阵理论建立了LCFBG反射光谱应变传感模型, 用衰减正弦函数模拟沿LCFBG分布的动态应力场。通过仿真实验, 详细研究了LCFBG反射光谱对不同振幅、 不同衰减系数与不同传播速度动态应力场的响应特性。实验结果表明, LCFBG反射光谱的反射率、 波长变化与光谱形状均与动态应力场上述参数有关, 但是LCFBG反射光谱对动态应力场不同参数的响应规律不同。在一定范围内, LCFBG反射光谱的最大反射率随动态应力场幅值与速度的增大而增大, 最终趋于一稳定值, 但其随阻尼系数增大而减小。最后, 研制了以LCFBG为敏感元件的传感器, 并构建了动态应力场实验平台, 实验结果与仿真实验数据基本一致。提供了一种通过实时采集LCFBG全光谱信息探测动态应力场的新方法。

针对现有光栅光谱解调方式所需数据量较大不利于数据传输及处理的现状，应用压缩感知算法通过少量光谱数据采集实现高精度光栅光谱的重构。选取可调谐法布里珀罗(F-P)滤波器解调方式（TFPDA）作为参照并以布拉格光栅(FBG)及线性啁啾布拉格光栅(LCFBG)作为研究对象，构建实验平台验证压缩感知算法光谱重构的可行性。通过TFPDA采集及压缩感知算法重构不同温度下的光纤光栅光谱并通过高斯非线性算法拟合得FBG中心波长。实验数据表明通过压缩感知采集得FBG温度敏感系数为20.3 pm/℃，与TFPDA的相对误差为0.5%。对比此两种方法所得LCFBG光谱，其3 dB带宽内的最大相对误差为1.03%，中心波长处为0.69%。上述实验结果证实压缩感知算法在光栅光谱采集重构方面具有一定的应用价值。

为降低电路及光路噪声等对痕量气体检测精度的影响，达到进一步提高痕量气体检测系统精度的目的，选用超窄带激光器作为系统光源并以谐波检测原理及改进希尔伯特黄变换（IHHT）滤波算法作为数据处理的核心算法构建高精度痕量气体检测系统平台。选取甲烷作为被检测对象，理论计算得当光源输出中心波长为1650.959 nm时，该系统甲烷气体体积分数C与输出光强一、二次谐波比值I2f/If的相关系数为0.084639。将一定体积分数的甲烷气体通入平台光纤气室中进行灵敏度实验，实验结果表明应用IHHT降噪处理后C与I2f/If的相关系数由使用傅里叶变换(FFT)处理的0.062585提升到0.074884，且气体体积分数越低，IHHT的降噪效果越好。

结合不锈钢膜片的特性，研制出一种微型高精度光纤布拉格光栅(FBG)土压力传感器。该传感器通过不锈钢膜片与力学传递元件将土压力转化为光纤光栅的轴向拉力，大大提高了传感器的灵敏度，有效避免了光栅受力不均引起的啁啾效应，同时减小了传感器的体积。通过理论计算，得到该传感器的压力敏感系数为29.6557 nm/MPa，是裸光栅的9885倍。传感器性能测试实验证实该传感器线性度良好，实测压力敏感系数为27.5 nm/MPa，略小于理论值，其主要原因是应变传递效率低于1。为进一步提高实验测量精度，采用Haar小波变换来减小因光纤光栅解调设备模数(A/D)采样速率及转换精度有限带来波长抖动所产生的仪器误差，实验数据表明经Haar小波处理后光栅中心波长的抖动幅值降为原数据的50%左右。

以石英光纤光栅为基体材料，采用化学镀镍和电镀铜相结合的工艺制备金属化光纤光栅。采用胶体钯活化法进行光纤光栅的活化处理，通过研究预处理粗化时间、活化时间与活化温度关键参数等对镍磷合金镀层结合强度和连续性等性能的影响，确定了最佳工艺条件：室温下粗化时间 2~10 min，活化温度 30~40 ℃，活化时间 20 min，在石英光纤表面得到了连续、致密、均匀、光亮和附着力强的镍镀底层。采用电镀法在镀镍光纤光栅上继续镀铜，得到了具有高附着力、低电阻和良好焊接性能的金属化光纤光栅。对镀铜光纤进行温度性能测试，发现镀铜处理后的光纤光栅温度灵敏系数是普通光纤光栅的 1.7倍。

采用传输矩阵法系统研究轴向非均匀应变场下相移光栅光谱特性, 对均匀应变、 线性应变、 二次应变以及三次应变分布下相移光栅反射谱进行仿真, 分析应变分布函数各项系数对反射率、 通透带宽、 透射窗口对应波长以及光谱形状的影响, 并得出规律性结论。 基于不同形状悬臂梁组建应变调谐实验装置, 利用有限元法计算固定于不同形状悬臂梁表面相移光栅栅区应变分布, 结合数值计算结果进行相移光栅应变调谐实验, 研究相移光栅栅区轴向在均匀应变场、 线性应变场以及二次应变场下相移光栅的反射光谱, 实验结果表明在不同应变场下相移光栅反射谱呈现规律性变化, 与仿真结果很好吻合。

光纤布拉格光栅(FBG)已广泛应用于应变参数测量中，但非均匀应变易引起FBG光谱变形而无法进行波长检测，因此需重构沿FBG的应变分布。针对应变分布重构效果差且收敛速度慢的难题，在深入研究改进遗传算法的基础上，提出基于FBG光谱中心波长位置与反射率双重约束的应变分布重构理论，显著改善了重构的非唯一性和置信度。同时，假设应变分布为多项式形式，通过对多项式系数的重构实现应变分布的重构，大大提高了重构的速度。在此基础上开展了应变分布参数重构仿真实验，多项式系数重构误差均小于1.5%；结合两端固定压杆调谐光纤光栅实验，验证了该应变分布重构方法的有效性、适用性和可操作性，形成了一种快速有效的应变分布重构方法。