根據彈性力學和邊界條件,得出了光纖布拉格光柵(fbg)傳感器應變測量值與基體材料實際應變的關系方程。通過裸光柵直埋基體材料界面傳遞的特征系數,可表征和計算fbg檢測應變與測點實際應變的誤差及修正系數。并對固化于cfrp的fbg變傳感特性進行了實驗研究。結果表明:fbgbragg波長對應變表現出很好的線性和重復性。用電阻應變儀對fbg傳感器應變傳感特性進行實驗對比標定,得出了表征fbg性能的應變傳感靈敏系數。fbg傳感器具有優異的應變傳感特性,為先進智能復合材料的研發與應用提供了依據。

闡述了光纖布拉格光柵的幾種解調方法及實驗原理框圖,并介紹了各種解調方法的優缺點。

提出了一種基于fpga與dsp平臺的光纖布拉格光柵傳感分析儀,將外界參量的變化轉化為光纖布拉格光柵波長的偏移,通過數據采集、過濾雜波、信號波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權波長計算等關鍵步驟來實現波長解調技術,進而完成溫度、應變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實現光纖線路故障分析與定位的功能。實驗結果表明:該系統功耗低、線性度好、波長解調精度與分辨率較高。經過長期測試,系統軟硬件運行穩定可靠。

為了安全可靠地建好每座大跨橋梁,就要對每座橋的施工過程進行安全監測,傳統的安全監測方法是采用電測技術,由于抗電磁干擾性差等原因,測試的數據真實性差。筆者在布拉格光纖光柵的傳感原理、室內懸臂梁試驗和埋設工藝的研究基礎上,成功地在黑大公路牛頭山大橋上布設了布拉格光纖光柵應變傳感器,為對比布拉格光纖光柵的監測結果,埋設了應變磚測試混凝土的應變,監測了該橋預應力混凝土連續梁先簡支后連續施工的全過程,施工監測結果表明:布拉格光纖光柵監測大橋施工結果準確、穩定和可靠,同時證明該光纖光柵測試技術可以用于橋梁施工過程的安全監測且結果明顯好于傳統的電測技術。

針對傳統骨骼形變監測技術中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實現體內長期監測等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監測的實現原理及應用方式.基于fbg應力傳感原理,將不同中心波長的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進行載荷實驗,隨后將采集的布拉格波長換算成形變,實時顯示骨骼受載荷時的形變趨勢.實驗采用在多點粘貼f3g的方式,避免了溫度、應變交叉傳感的問題.實驗表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長變化與該位置受力產生的彎曲形變具有明顯的線性對應關系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達39.00525pm/mm.實驗結果對發展微型、實時、集成骨骼健康監控具有一定的參考意義.

根據激光脈沖在光纖光柵中傳播時所滿足的相干耦合非線性薛定諤方程,利用計算機數值模擬,研究了激光脈沖在拋物線平方變跡布拉格光纖光柵中傳輸時,在反常色散區和正常色散區產生的調制不穩定性增益譜的特性.結果表明,在反常色散區和正常色散區都能產生調制不穩定性,并且調制不穩定性增益譜都受拋物線平方變跡函數的制約.

文中介紹了光纖布拉格光柵的原理;根據耦合模方程,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、色散補償器、相移光柵和采樣光柵為例說明了光纖光柵的設計方法。

分析光纖光柵傳感原理,闡述可調光纖f-p濾波器的工作機理和特點,并介紹了基于arm實現光纖布拉格光柵(fbg)傳感器的解調系統的硬件結構和軟件設計。采用三星公司的s3c44box對經過可調諧f-p腔解調后的波長信息進行采集,并對得到的數據進行處理。實驗結果表明系統可以滿足一般的工程要求。

研究了單模光纖布拉格光柵的偏振相關損耗(pdl)特性。運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損耗(pdleff),并模擬了其隨光柵參數和雙折射量的變化性質。光柵反射光的偏振相關損耗在反射譜的帶邊處明顯地表現出來,特別是帶邊比較陡峭時。結果表明,光柵的有效偏振相關損耗明顯地依賴于光柵的結構參數和雙折射量。光柵的有效偏振相關損耗隨光柵長度和調制深度的增加急劇增大。對于給定光柵長度和調制深度的光柵,光柵雙折射量小于2×10-5時,光柵的有效偏振相關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,光柵的有效偏振相關損耗的兩個主峰的寬度變大并在其上有子峰,隨雙折射的繼續增大,兩主峰間距增大而子峰變小。實驗結果與理論模擬基本吻合。

提出一種通過布拉格光纖光柵傳輸譜線計算其纖芯直徑和折射率的方法.實驗中采用較短波長的相位掩模板及紫外光照射載氫的單模光纖來寫布拉格光柵.通過測量lp01模與反向傳輸的lp01、lp02模耦合所對應的損耗峰,并將對應的兩中心波長分別帶入色散方程,來計算同時滿足布拉格光柵相位匹配條件的解,即可求出該光纖光柵纖芯直徑和折射率.這種方法為測量光纖光柵參數提供了一種新的途徑.

從布拉格光柵方程出發,理論上分析了在溫度、應變雙參量同時測量時,考慮溫度-應變交叉靈敏度、二階應變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應變測量的誤差的一般數學公式.結合實驗數據進行了溫度和應變的誤差計算,得出3個二階靈敏度在不同的溫度變化、應變范圍內對測量誤差的貢獻不同.同時給出了波長的漂移量與溫度、應變呈線性關系時,溫度變化和應變的范圍.

推導并驗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的表達式。基于種子光柵中心波長對應的折射率調制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調制函數的傅里葉級數展開式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調制深度和各階光柵周期,從而導出其反射峰值波長的表達式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結構參量,因而表達式能夠描述反射峰的分布。仿真實驗中,不同占空比或取樣周期下計算出的反射峰值波長、信道間隔符合數值反射譜。該表達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。

采用光纖布拉格光柵(fbg)傳感器作為荷載監測的應變傳感器,建立實時、在位荷載識別的有效算法。基于一種圖形化編程語言labview8.0在動態光纖光柵解調儀(sm130-700,moi)軟件平臺上開發了在線荷載監測系統,并應用于翼型懸臂板的荷載監測實驗。結果表明,該在線荷載監測系統能夠高精度地識別荷載的位置和荷載大小,且有較好的容錯性。

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據鍍nifbg的特點,分析了鍍nifbg溫度變化時的應力應變,從理論上推導出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過實驗進行了驗證,用理論證明了鍍nifbg的波長漂移、應力和應變與溫度變化成線性關系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關系。用an-sys軟件對鍍nifbg在溫度變化時的應力應變進行了仿真。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/℃,實驗值為14.113pm/℃。理論、實驗和仿真得到了一致的結果。

兩電流產生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個布拉格光柵的波長漂移差,得到被測電流。雙光纖布拉格光柵通過補償溫度效應,解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過程中不出現啁啾現象,又避免了自身重量和導線重量對測量結果的影響,從而減少了測量誤差。該系統傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對誤差為3.38%,結果表明該傳感器結構是可行的。

基于光纖光柵傳感技術,采用光纖光柵應變計、光纖光柵溫度計、光纖光柵位移計對一座既有預應力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動載試驗進行了測試;對比分析了傳統傳感技術與光纖光柵傳感技術的測試結果。結果表明:傳統傳感器和光纖傳感器實橋測量結果與計算結果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實際受力狀態;且光纖光柵傳感器可以真實反映加載的整個過程,實現加載過程的實時連續監控。

采用數值模擬的方法研究了光纖布拉格光柵(fbg)的非線性雙穩開關特性。從耦合模理論出發,利用jacobi橢圓函數法得到了3種不同的解,首先對3種解下的非線性雙穩開關特性分別進行比較,然后針對各個解下的影響開關特性的失諧量、耦合系數和光柵長度等參數進行分析,研究結果對于分析和構建非線性雙穩fbg光開關具有一定的意義。

提出了基于可調激光器和聲光脈沖調制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統,同時利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統的傳輸距離,達到了300km的超長距離傳感。該系統通過前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來補償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統在低于275km長度時獲得了大于15db的優良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號。系統在100,200,250,300km處的靜態應變實驗中,線性度均達到了0.999以上。系統可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長距離遙測中得到廣泛應用。

載流導線在磁場中產生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵(fbg)的布拉格波長漂移。通過檢測2個fbg的波長漂移差,得到被測磁場的磁感應強度。雙fbg通過補償溫度效應,解決了fbg傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過程中不出現啁啾現象,又避免了自身重量和導線重量對測量結果的影響,從而減少了測量誤差。該系統傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對誤差為4.31%,結果表明,該傳感器結構是可行的。

根據耦合模理論,數值模擬了多模光纖布拉格光柵的傾斜角度對纖芯基模向纖芯高階模式的轉換問題.反射光譜的數值計算中,假定只有lp01模式激發情況下lp01模式與lp11模式的轉換。

利用有限元法對一種柚子型光子晶體光纖中的傳輸模式進行了模擬,得到了各傳輸模式的有效折射率和模場分布。結合耦合模理論和相關函數方法,對柚子型光子晶體光纖布拉格光柵反射譜進行了理論分析,解釋了柚子型光纖光柵出現多個諧振峰的原因;數值分析了光纖纖芯直徑和空氣孔尺寸對光柵傳輸譜的影響。結果表明諧振峰波長隨纖芯直徑的增大向長波方向漂移,而隨空氣孔增大向短波方向移動,并且不同諧振模式的變化幅度不同;利用相位模板法寫制了光子晶體光纖光柵,實驗結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,對在土木工程中的應用作了詳細的闡述;為進一步了解其性能,對布拉格光柵應變傳感器進行了抗電磁干擾、抗零飄、重復性等性能進行測試,并與傳統的電阻應變片做了對比,顯示了令人滿意的效果,為工程健康監測應用指出了廣闊的前景。