针对光纤光栅应变计无法同时准确测量结构表面多个方向应变的问题, 该文设计了一种基于光纤布喇格光栅(FBG)的三向应变计。三向应变计采用圆环状基底结构, 并在基底上封装了3根互成角度的FBG, 适用于结构表面3个方向应变的同步测量。对封装后的应变计进行性能测试, 并进行了同电阻应变片的对比实验。结果表明, 应变计具有良好的线性, 最大迟滞误差为6.1%, 应变灵敏度在0°和90°方向分别提高约2.3倍和1.4倍。随着载荷的增加, 应变计的测量误差逐渐减小, 载荷大于1.5 kg后测量误差控制在±5%。

为提高光纤光栅监测微小位移的灵敏度和精度,提出并实现一种基片式环形光纤光栅位移传感器,利用谐振腔中不同模式拍频信号的变化实现传感。Sagnac环形腔有效提升了抽运光源的利用率,同时拥有比直腔更小的相位噪声和更高的信噪比。该传感器采用应变片式结构,能够有效地对光纤进行保护,更加精确地测量由位移引起的频率变化。实验中每5 mm观察一次传感信号的漂移情况,重复实验的多组实验结果表明,该传感器频移与位移基本呈线性变化,线性拟合度高达0.9995,灵敏度为-45.4 kHz/mm,根据频谱仪的最高精度,可得传感器的测量精度为0.88×10 ^-3 mm,与理论推导基本一致。

为避免在利用压电微夹钳夹持微对象过程中可能造成微对象的损伤或脱落, 提出用电阻应变片来检测压电微夹钳的钳指位移与夹持力。采用柔性杠杆放大机构设计了微夹钳, 该微夹钳结构微小且紧凑、钳指可平动、指尖夹持灵敏度高。基于悬臂梁弯曲变形理论及有限元方法, 分析了用于检测钳指位移与夹持力的微夹钳弹性敏感单元的应变特性。分析结果表明: 敏感单元的最大应变部位靠近其底端, 钳指位移与夹持力同敏感单元的应变成正比; 实验标定了钳指位移与夹持力同弹性敏感单元应变的关系, 标定结果表明两种关系均为线性关系; 最后实验测试了钳指位移与夹持力的大小。结果表明: 在150 V的最大电压下, 不夹持微对象时钳指的最大位移为78.35 μm, 夹持Φ0.3 mm、长8 mm的微轴时钳指的夹持力为9.24 μN。

为了实时监测500 m口径球面射电望远镜(FAST)索网支承结构的典型索力，避免传统索力监测方法对索网支承结构的影响和工作中的电磁干扰，提出了一种间接获取索力值的方法。 该方法使用光纤布拉格光栅(FBG)传感器监测索头应变值来间接测量索力。测量时将FBG应变计与补偿温度计通过专用安装底座焊接于索头线性应变区域轴向，防止直接焊接对索头结构性能的影响; 然后使用温度应变补偿法补偿温度变化对FBG应变计测量结果的影响。在索体出厂预张拉过程中对该方法进行标定得到相关索力换算公式系数，从而在实际工程应用中实现了索力的测量。试验结果表明，索力与索头应变线性拟合度高达0.98，实际测量中绝对误差均方差为1.38 t，在FAST工程主索工作索力范围内相对误差优于3%，满足工程需求。该方法无电磁干扰，耐用性久，布线灵活简单，已成功应用于FAST工程中的316根典型主索的索力监测中。

本文将介绍高速旋转平面反射镜镜面变形测量。平面反射镜在高速旋转时由于镜体倾斜引起的惯性力矩会使镜体产生弯曲变形, 影响成像质量。利用应变电测法, 通过导电滑环把镜体旋转时镜面应变片电阻变化信号连接到应变仪。从变形与应变之间的关系, 用仿真方法估计镜体等效厚度, 数值积分重构镜体弯曲变形。并与有限元计算结果进行对比, 验证测量的正确性。研究表明: 该方法有效可行, 为旋转镜面变形测量提供一种新的思路。

在很多高温环境应用中,诸如发动机、飞机和宇航器、复合材料的健康监测,需要精确测量应变。针对这种场合提出了一种基于激光脉冲制作的长周期光纤光栅/法布里-珀罗(LPFG/F-P)温度-应变组合光纤传感器。该传感器由长周期光纤光栅与光纤法布里-珀罗干涉传感器级联构成,其中长周期光纤光栅由高频CO2激光脉冲制作,用于监测温度; 光纤法布里-珀罗干涉传感器由157 nm准分子激光脉冲制作,用于监测应变。这种新型组合光纤传感器最大的特点是能承受500 ℃的高温并能在高温环境下实现应变的精确测量, 可望在高温恶劣环境条件下的结构(如飞机发动机)健康监测、复合材料生产过程监测等应用中发挥重要作用。

将波分复用技术与空间频率复用技术相结合,提出了新的光纤菲佐应变传感器波分频分复用方法:在粗波分复用(CWDM)的不同波段实现具有不同腔长的光纤菲佐应变传感器的空间频率复用。描述了基于该方法的光纤菲佐应变传感器复用系统的结构、原理及实验结果,讨论了复用技术中可能产生的串扰的影响及其解决方法。实验结果表明,该方法大大提高了光纤菲佐应变传感器的复用能力,可复用40个以上的菲佐应变传感器,且其应变测量精度达±5 με,可满足实际应用的要求。

提出了一种大幅度提高外腔式法布里珀罗干涉传感器干涉信号强度的方法,利用掺铒光纤放大自发辐射产生的光源代替一般宽带光源,同时由于掺铒光纤的放大作用可以放大干涉信号,将光纤法布里珀罗传感器的信号强度提高了4个数量级,因而利用该方法可获得很强的信号和较高的信噪比。介绍了基于光放大的外腔式法布里珀罗干涉传感系统的结构、测量原理及实验。实验结果表明该传感器的应变精度为±10 με,可满足实际应用的要求。该传感系统在大幅度提高传感器信号强度的同时并未提高系统的成本,因此有着较高的性价比和实用价值。