西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西 西安 710065
通过有限元分析软件对硬质聚氯乙烯材料支吊架结构管道建立模型，采用中央竖直向下施加静态持续载荷方式进行力学仿真。将传感光纤沿轴向直线排布在模拟管道顶部、底部和侧部，通过粘贴传感器将管道外表面应变传递至传感光纤，并采用布里渊光时域分析仪对不同载荷下管道的应变变化进行监测。结果表明：管道轴向方向到管道底部为拉伸正应变，顶部为压缩负应变，侧部中线的应变基本不变；管道中段的应变最大，向管道两端的应变逐渐减小，距离管道端部0.6 m处的应变趋于0。此外，油气管道中段底部的应变灵敏度为顶部的3.3倍，为支撑端的5.5倍。
光纤光学 管道应变分布 模拟仿真 光纤布里渊散射 布里渊光时域分析仪 应变灵敏度 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2106003
1 北京信息科技大学 光电测试技术与仪器教育部重点实验室，北京 100192
2 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室，北京 100016
介入探针形状监测技术能够为医生在手术中提供重要参考信息，是保证手术安全性的必要手段。为提高介入探针形状测量精度，文中提出一种引入应变灵敏度矩阵的光纤光栅传感阵列介入探针形状测量方法。首先，基于光纤光栅传感理论，分析了植入在探针中光纤光栅波长漂移量与其应变的关系，同时引入了应变灵敏度矩阵，研究了光纤光栅中心波长漂移量与其弯曲曲率的关系。然后，推导了探针的局部单元几何参数关系和坐标转换方程，建立了基于光纤光栅的探针形状测量模型。最后，为了验证引入应变灵敏度矩阵对形状测量精度的影响，对植入光纤光栅传感阵列的介入探针进行了不同弯曲状态下的形状测量实验，对比分析了引入应变灵敏度矩阵前后形状测量的误差。实验结果表明，引入光纤光栅应变灵敏度矩阵可有效提升介入探针的测量精度，在不同弯曲情况下，介入手术探针末端偏移量平均误差降低了1.385 mm，最大误差降低了3.317 mm。文中所提出的基于光纤光栅传感阵列的形状测量方法在介入手术柔性医疗器械的形状重构方向具有广阔的应用前景。
光纤布拉格光栅 应变灵敏度 形状传感 介入手术探针 fiber Bragg grating strain sensitivity shape sensing interventional needle 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210623
1 武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室, 湖北 武汉 430070
2 武汉理工大学信息工程学院, 湖北 武汉 430070
提出了一种基于单模-多模-单模拉锥结构的光纤布拉格光栅 (FBG) 传感器,该传感器能有效提高应变的检测灵敏度。多模光纤具有孔径大、易耦合、写制光栅较容易、可承受应变较大等优点,使光栅区域位于拉锥多模光纤处,则该多模拉锥光纤的光栅可使传感器获得更高的应变探测精度和灵敏度。通过控制多模光纤的拉伸长度,制作了多个不同锥度的传感器。先将一段长度为1.7 cm的多模光纤对芯熔接在两段单模光纤中间,然后对多模光纤段分别进行长度为0.8,0.9,1.0 cm的拉锥,在多模光纤锥区一侧写入长度为7 mm的FBG。通过分析反射谱中谐振波长的变化来监测温度、应变的改变。实验结果表明,该传感器的应变检测范围为0~960 με,应变灵敏度最高可达15.5 pm/με,而温度灵敏度为10.5 pm/℃,锥区半径越细则应变灵敏度提升越明显。由于应变灵敏度相对传统FBG有大幅提高,而温度传感特性保持不变,在没有温度补偿的情况下,温度引起的应变误差仅为0.677 με/℃,降低了应变和温度之间的交叉敏感性。
传感器 光纤布拉格光栅 多模光纤 拉锥 单模-多模-单模 应变灵敏度 激光与光电子学进展
2019, 56(13): 132802
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
对传统的应变标定方法进行了分析, 发现其不适用于无封装光纤布拉格光栅(FBG)传感器的应变标定。提出了一种简易的无封装FBG传感器的应变灵敏度系数标定方法, 通过理论分析, 证明了该方法的可行性。选取能够覆盖解调仪解调范围的不同中心波长的无封装FBG传感器进行标定实验。计算了实验的A类不确定度、FBG传感器的线性度, 并分析了标定结果与理论值存在差异的原因。实验结果表明, 提出的方法在四支FBG传感器上均取得了3×10-3pm/με以下的A类不确定度和0.5%以下的线性度。
无封装FBG应变传感器 应变灵敏度系数 标定 A类不确定度 线性度 unencapsulated FBG strain sensor strain sensitivity coefficient calibration type A uncertainty linearity
1 南京林业大学机械电子工程学院, 江苏 南京 210037
2 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室, 江苏 南京 210016
3 南京航空航天大学民航学院, 江苏 南京 210016
灵敏度是衡量传感器的重要指标之一, 基于双折射光纤环镜(PM-FLM)应变传感器灵敏度理论模型, 通过数值模拟与实验的方法, 在不增加系统复杂性的前提下, 通过自身性能优化PM-FLM轴向应变灵敏度; 同时研究了双折射光纤(PMF)长度对PM-FLM轴向应变灵敏度的影响。 研究结果表明: 对于相同PM-FLM, 可以选择长波长监测点优化轴向应变灵敏度; 对于双折射率相同的PM-FLM, 可以选择双折射应变系数较大的PMF优化轴向应变灵敏度。 对于双折射应变系数相同的PM-FLM, 可以选择双折射率较小的PMF优化轴向应变灵敏度。 PM-FLM传感器应变灵敏度与PMF长度无关。
应变灵敏度 波长 双折射应变系数 双折射率 双折射光纤长度 Strain sensitivity Wavelength Strain dependent birefringence coefficient Birefringence PMF length 光谱学与光谱分析
2017, 37(5): 1576
重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重点实验室, 重庆 400065
采用优化改进的CO2激光器制备了两种不同刻槽深度的长周期光纤光栅（LPFG），实验研究了光纤光栅刻槽区结构对应变传感特性的影响。研究结果表明:单侧周期性刻槽会在光纤光栅表面形成应力集中区，在轴向应变作用下发生微弯形成波状型结构，从而极大地提高了其应变响应灵敏度，深刻槽光纤透射谱的谐振波长线性漂移达到-10.96 nm，应变灵敏度达到－19.37 pm/με，且测量误差小。利用有限元分析软件ANSYS对刻槽型光纤光栅进行网格建模和模态仿真分析，得到其刻槽结构区的应变分布图。结果表明，深刻槽型光纤光栅随着应变增加，轴向微弯形变量增大，从而激发高阶包层模的耦合，提高了应变灵敏度响应。
光纤光学 长周期光纤光栅 刻槽工艺 应变灵敏度 微弯位移量 激光与光电子学进展
2016, 53(10): 100602
1 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室, 江苏 南京 210016
2 南京林业大学机械电子工程学院, 江苏 南京 210037
理论推导了高双折射光纤环镜轴向应变灵敏度公式, 讨论了在高双折射光纤材料和入射光源不变的前提下, 高双折射光纤长度以及作为敏感元件的传感长度与传感器轴向应变灵敏度的关系, 讨论了入射光源相同时高双折射光纤材料与传感器轴向应变灵敏度的关系。 结果表明: 在高双折射光纤材料和入射光源不变的前提下, 高双折射光纤环镜波长变化与轴向应变成线性关系, 线性灵敏度为高双折射光纤材料和入射光源中心波长决定的常数, 与接入的高双折射光纤长度、 作为敏感元件的传感长度无关。
高双折射光纤环镜 高双折射光纤长度 传感长度 轴向应变灵敏度 High-birefringence fiber loop mirror High-birefringence fiber length Sensing length Axial strain sensitivity 光谱学与光谱分析
2012, 32(12): 3367
西北工业大学理学院，陕西省光信息技术重点实验室，教育部空间应用物理与化学重点实验室, 陕西 西安 710072
根据强度解调型光纤光栅法布里珀罗干涉仪(FBG-FPI)的应变传感原理，分析讨论了其光栅栅长、折射率调制深度、干涉仪腔长以及与换能器的结合方式等因素对传感器最大应变灵敏度的影响；同时对比分析了强度解调型FBG-FPI与单个光纤布拉格光栅(FBG)以及传统光纤法布里珀罗干涉仪的应变传感灵敏度差异。结果表明，强度解调型FBG-FPI应变传感器的理论可探测最小应变量达10-12量级。利用FBG-FPI粘贴压电陶瓷(PZT)提供的微小周期性应变实验证明，强度解调型FBG-FPI应变传感器具有对微弱交变应变信号的探测能力，并且在进行非线性修正后，该应变传感器还具有良好的线性响应特性。
传感器 光纤传感 光纤布拉格光栅 法布里珀罗干涉仪 应变灵敏度
1 中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳 621900
2 天津大学 机械工程学院力学系，天津 300072
在云纹干涉法的基础上，研究了一种新的测量方法——云纹干涉载波条纹法，利用初始载波条纹根据物体变形前后的变化对应变进行分析。实验证明：在结合适当的数字图像处理技术情况下，应用频率为1200lp／mm的试件栅，测量试件(微观场)变形产生的应变时，精度基本控制在士10με的范围内。对该方法的研究表明：其灵敏度可在1με以下。方法可给出U场诸行、V场诸列的平均应变值，使研究微观场小应变及微观场临近区域微小应变的不同成为可能。这一技术为MEMS研究中对相关力学内容的分析提供了技术支持。
云纹干涉载波条纹 微观场 小应变 测量精度 应变灵敏度 carrier fringe of Moiré interferometry micro-field tiny strain measuring accuracy strain sensitivity
