光纤布喇格光栅水流流速传感器的设计
FBG传感器应用及设计实例
FBG传感器应用及设计实例FBG（Fiber Bragg Grating）传感器是一种基于光纤布拉格光栅原理设计的光纤传感器。
光纤布拉格光栅是通过在光纤内部引入一定的折射率改变周期性的折射率变化结构，形成的一种反射光栅。
FBG传感器利用光纤布拉格光栅的特性，可以对环境中的温度、应变等物理量进行测量。
FBG传感器具有体积小、抗干扰能力强、测量范围广等优点，因此被广泛应用于各个领域。
以下是几个FBG传感器的应用及设计实例：1.建筑结构监测：FBG传感器可以用来监测建筑结构的应变情况。
通过将多个FBG传感器布置在建筑结构上，可以实时监测结构的应变情况，及时发现结构的变形、开裂等问题，提前采取修复措施，保证建筑结构的安全性。
2.油气管道监测：FBG传感器可以用来监测油气管道的变形和温度变化。
将FBG传感器安装在油气管道上，可以实时监测管道的应变和温度变化，及时发现管道的变形、破损等问题，避免事故的发生。
3.地下水监测：FBG传感器可以用来监测地下水位的变化。
将FBG传感器固定在井口或地下水管道中，通过测量光纤的折射率变化来判断地下水位的变化情况。
这对于地下水资源的合理利用和保护具有重要意义。
4.航天器结构监测：FBG传感器可以用来监测航天器的结构应变情况。
将FBG传感器布置在航天器的关键结构上，可以实时监测结构的应变情况，判断航天器的工作状态是否正常，及时发现结构的变形和疲劳损伤，提高航天器的运行安全性。
5.生物医学应用：FBG传感器可以用于生物医学领域中的温度、压力和拉伸等参数的测量。
例如，可以将FBG传感器固定在医用器械上，实时测量医用器械的温度和应变情况，确保医疗操作的安全性。
以上是几个FBG传感器的应用及设计实例。
随着光纤技术的不断发展，FBG传感器将在更多的领域发挥更大的作用，为人们的生活和工作带来更多便利和安全。
基于光纤布拉格光栅的传感器研究进展
基于光纤布拉格光栅的传感器研究进展近年来，光纤布拉格光栅传感器在各种领域的应用越来越广泛，其研究也得到了快速发展。
光纤布拉格光栅传感器具有高分辨率、高精度、高灵敏度等优点，在机械结构、航空航天、生物医学等领域得到越来越多的应用。
本文将介绍光纤布拉格光栅传感器的基本原理、研究进展和应用领域。
一、光纤布拉格光栅传感器的基本原理光纤布拉格光栅传感器是一种基于光纤布拉格光栅原理实现的传感器。
它通过光纤布拉格光栅中的光反射和干涉效应来测量其物理量，如温度和应变等。
布拉格光栅一般指的是由一系列反射比随距离变化而周期性变化的分布式反射密度变化的结构。
其基本原理是：当入射光经过布拉格光栅时，会被反射，反射光经过延长光纤回到原点，与入射光干涉。
通过测量反射光的光谱，可以推断出光纤的物理量。
二、光纤布拉格光栅传感器的研究进展光纤布拉格光栅传感器是近年来研究的热点之一，其研究一直在快速发展。
下面介绍几项近年来的研究进展。
1. 高精度静态应变传感器静态应变传感器是光纤布拉格光栅应用的主要领域之一，其在结构健康监测、地震监测、油气管道检测等方面具有重要应用。
近年来，研究者们不断钻研，推广了各种新的算法和材料，进行了大量的实验研究和应用研究。
例如，高精度的静态应变传感器已经被广泛研究，其光谱的精度和分辨率可以达到±1pm和0.1pm。
2. 高温传感器光纤布拉格光栅传感器的应用范围在温度测量方面有很大的局限性，主要是由于光纤和腔体材料不能耐受高温。
近年来，研究者们提出了一些新的方法来解决这个问题，例如使用高温光纤和材料等。
此外，基于微纳米结构的光子晶体纳米线和纳米杆等光学元件也被应用于高温测量中，以实现更准确的测量。
3. 基于传感器网络的传感器近年来，随着物联网的建设，光纤布拉格光栅传感器被广泛应用于传感器网络中。
利用这种传感器网络，研究者们可以实现对物体的全方位实时监测，同时提高其响应时间和测量准确度。
此外，还可以通过传感器网络中的数据传输来进行远程实时监测，对人们的生产生活带来极大的帮助。
光纤光栅水流流向传感器的设计
水利水电技术第51卷2020年第7期钟志鑫，段君淼，张浩，等.光纤光栅水流流向传感器的设计[J].水利水电技术，2020,51(7)：63-69.ZHONG Zhixin,DUAN Junmiao,ZHANG Hao,et al.Design of fiber grating water flow direction sensorf J].Water Resources and Hydropower Engineering,2020,51(7)；63-69.疙笄疙栩水漩漩向传嚴器的馥计钟志鑫V,段君淼3,张浩"，胡军海5(1.石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，河北石家庄050043；2.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄050043；3.石家庄铁道大学交通运输学院，河北石家庄050043； 4.石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所，河北石家庄050043；5.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031)摘要：为了实时监测大跨桥梁建设与运营过程中的水流流向变化，以有效分析和掌控水流对桥墩的冲刷，维护水中墩台基础，利用SolidWorks软件设计了一种基于光纤传感技术的水流流向监测传感器。
该传感器由万向板、凸轮推杆等结构组成，通过将水流的流向转化成金属丝的拉压应变，实现对不定向水流流向的实时监测。
利用凸轮推杆机构在拉压过程中的偏转角度的不同，能够实现正负180。
流向的区分。
对水流流向的理论计算公式进行了合理推导，并进行了室内传感器标定试验。
结果表明：该传感器可以实现360。
实时在线监测水流流向变化，误差始终保持在6%以内，具有较高的精度。
该传感器的设计使用能够为桥梁施工建设和安全运营以及水文环境监测提供技术支撑。
关键词：水流流向；光纤传感；360。
流向縣廳卵医2doi:10.13928/ki.wrahe.2020.07.008开放科学(资源服务)标识码(OSID):|中图分类号：TB937；TH814；TN253文献标识码：A文章编号：1000-0860(2020)07-0063-07Design of fiber grating water flow direction sensorZHONG Zhixin1'2,DUAN Junmiao3,ZHANG Hao1'4,HU Junhai5(1.State Key Laboratory of Mechanical Behavior and System Safety of Traffic Engineering Structures,Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang050043,Hebei,China；2.School of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang050043,Hebei, China；3.School of Traffic&Transportation,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang050043,Hebei,China；4.Structural Health Monitor and Control Institute,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang050043,Hebei,China；5.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,Sichuan,China)Abstract:In order to monitor the change of flow direction during the construction and operation of long-span bridges in real time,and then effectively analyze and control the scour of water flow on piers,and maintain the foundation of piers and abutments in water,the SolidWorks software was used to design a kind of water flow direction monitoring sensor based on optical fiber sensing technology.The sensor is composed of cardan plate,cam push rod and other components.By transforming the flow di-收稿日期：2020-03-26基金项目：国家重点研发计划项目子课题(2016YFC0802202-3)；省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室自主课题(ZZ2020-19)作者简介：钟志鑫(1996—),男，硕士研究生，主要从事桥梁结构健康监测与传感器研发。
压差式光纤Bragg光栅流量传感器
Hale Waihona Puke 式 中： Ｐ为压力 ； 为膜片 材料 的泊松 比； Ｒ为膜 片半径 ； Ｅ为膜 片材料 的弹性模量 ； 为膜片厚度 。
膜片 的挠度通过钢销子传递给等腰 三角形悬臂梁 ， 悬臂 梁 顶点 的位移与 圆形 膜 片的挠度 相等 。根据 材料 力学 的理论 知
识可知 ， 度为 日的等腰三角悬 臂梁顶点 的挠度与 观测点 处 厚 的应变 的关系为
４４ ０ 理论 值与实 验值 之间 的相 对误差 为 ２ ９ ．７Ｘ１ 一ｑ ， ． ％。受
图 ３ 等腰三角形悬臂梁
实验室 条件等 因素 的制约 ， 对光纤光栅流量传 感技术进行 了初
（） ３
∞＝
１ ‘ ６
步的实验研究 。分析其产生误差 的主要原 因可能 有两点 ： 一是 膜 片的形变 未能完全地 刚性传递 给悬臂梁 ； 是光纤光栅 与悬 二 臂 梁没 有完全 刚性耦联 。为 了进一 步减 少误差 ， 尽量选 用光 应 纤、 粘结剂及波纹膜片三者杨氏模量相近的材料。
１ 传 感 器 设 计
ｑ＇ ＝等 ｒ ｒ （
式 中 Ｄ为 被 测 管 道 横 截 面 的直 径 。
（ ２ ）
该 流量 传感 器由文丘 里管式 节流 管和光纤 光栅 压强 传感
机 构组 成。文丘 里管是一种普遍使 用的压差式 流量计 ， 目前 是
设计的光纤光栅压强传感机构如 图 ２所示 。它 由不锈钢 圆
＝
（） （ ４ ）
（） ５
叉敏感 问题 ， 提高 了测量精度。实验验证 与理 论分析结 果相一 致， 实验值和理论值 的相 对误差 为 ２９ ． ％。由于选 用光纤 光栅 作为传感元件 ， 流量传感 器不 仅具备 天然 的电绝缘 性 、 电 该 抗 磁干扰等本质安全特 性 ， 而且具 有抗腐 蚀和体 积小等 优点 ， 可 广泛用于油 、 化工等各种液体 、 气体 的流量检测 。
光纤布拉格光栅湿度传感器研究
光纤布拉格光栅湿度传感器研究光纤布拉格光栅湿度传感器是一种基于光纤布拉格光栅原理的传感器，用于测量湿度变化。
光纤布拉格光栅传感器具有高灵敏度、快速响应和免疫电磁干扰等优点，被广泛应用于各个领域。
本文将对光纤布拉格光栅湿度传感器的研究进行探讨。
光纤布拉格光栅湿度传感器基于光纤布拉格光栅的原理，通过测量光纤布拉格光栅的反射光谱的频率变化来获得湿度的信息。
在布拉格光栅中引入一定的液体传感层，当湿度发生变化时，液体传感层中的湿度会引起传感层的折射率发生变化，从而改变光纤布拉格光栅的反射光谱频率。
通过测量反射光谱频率的变化，就可以获得湿度的信息。
光纤布拉格光栅湿度传感器的实现需要解决两个主要问题：传感层的选择和光纤布拉格光栅的制备。
传感层的选择非常关键，需具备与湿度有高度相关性的物理或化学属性，并且易于与光纤布拉格光栅结合。
常用的传感层材料包括水凝胶、聚合物、纳米材料等。
通过调节传感层的材料和结构，可以实现不同范围湿度的测量。
光纤布拉格光栅的制备也是光纤布拉格光栅湿度传感器研究的重要环节。
布拉格光栅的制备可以通过光纤拉伸、压刻、紫外曝光等方式实现。
其中，光纤拉伸是最常用的方法，它可以通过拉伸光纤，改变光纤的折射率分布，从而实现布拉格光栅的制备。
光纤布拉格光栅湿度传感器的实验研究主要包括传感器性能测试和传感特性研究。
传感器性能测试主要包括传感器的灵敏度、线性度、重复性等指标的测试。
在测试过程中，需要对传感器进行标定，确定传感器的灵敏度和响应范围。
传感特性研究主要通过实验研究湿度变化对反射光谱频率的影响，进一步分析湿度传感器的工作原理和机理。
光纤布拉格光栅湿度传感器的应用非常广泛，包括农业、环境监测、工业过程控制等领域。
在农业领域，可以用于监测土壤湿度，指导农作物的灌溉和施肥。
在环境监测领域，可以用于测量空气中的湿度，监测大气湿度的变化。
在工业过程控制领域，可以用于监测工业流程中的湿度变化，提高工业流程的效率。
光纤布拉格光栅传感器的特点以及工作原理解析
光纤布拉格光栅传感器的特点以及工作原理解析下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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基于光纤布拉格光栅的压力传感器设计
量，进而得出其受外界应变。将 λB 称为 FBG 中心波长，则 中心波长如公式（1）所示。
λB=2neffΛ
（1）
式中 ：neff 是光纤纤芯的等效折射率 ；Λ 是光栅周期。
当 neff、Λ 受外界影响时，会导致中心波长发生变化。在
实际使用中，将 FBG 的传感特性用微分方程来表示，如公
式（2）所示。
和测量极限。并结合试验，证实 FBG 的中心波长漂移量和悬
臂梁受力形变所产生的弯矩变化呈线性关系，利用 FBG 的 应力特性获得实时载荷量 [5]。
该文主要采用均匀光纤光栅为传感元件，其均匀光纤光
栅的栅格以周期沿轴向均匀分布，并且在径向各处的折射率
neff 均相等，Λ 为光栅的空间周期。光纤光栅纵向应变压力传 感器主要基于光纤光栅解调器检测反射谱中心波长的偏移
57.50
48.75
7.50
R60
1 悬臂梁一维力传感器结构介绍
第一组试验感应器上部结构如图 1 所示。
R5.50 单位：mm
图 2 悬臂梁示意图
ø120
15 R45
0.60 ø6.10
图 1 第一组试验感应器上部结构（光栅布 置于中部弹性感应拨片上、图中 3 号位置）
该传感器为高分子材料及黄铜等材料的复合结构，压力
中国新技术新产品 2023 NO.9（上）
工业技术
基于光纤布拉格光栅的压力传感器设计
林俊辉 王 涛 杨期江 李聚保 徐东华 （广州航海学院，广东 广州 510725）
摘 要 ：该文针对目前传统多维力传感器信号传输易于受电磁干扰、连接复杂、维间耦合较大及灵敏度较低的问 题 [1-2]，设计了一种腔体式悬臂梁一维力传感器，结合该传感器构造特点，选择不同弹性材质悬臂梁，将光纤封
FBG布拉格光纤光栅传感技术及其优势
FBG布拉格光纤光栅传感技术及其优势FBG（Fiber Bragg Grating）布拉格光纤光栅传感技术是一种基于光纤传感器原理的测量技术。
它通过在光纤的光学纤芯中添加一个周期性折射率改变的光栅结构，实现了对光波的波长选择性反射，从而实现对光波的测量和传感。
FBG光栅传感技术具有很多优势，本文将详细介绍。
首先，FBG光栅传感技术具有很高的灵敏度和精度。
光纤光栅结构的周期性折射率改变能够引起光波的波长选择性反射，从而使得传感器能够在不同的波长上进行测量。
由于光栅的周期性结构可以通过微调光栅的制备参数进行优化，因此光栅传感器可以在特定的波长上实现极高的灵敏度和精度。
其次，FBG光栅传感技术具有很高的可重复性和稳定性。
光纤材料具有优良的化学稳定性和热稳定性，使得光纤光栅传感器在长期使用中能够保持良好的性能。
此外，由于光栅结构是在光纤材料中编写的，因此它不会受到外界环境的干扰，如机械振动、电磁干扰等，从而进一步保证了传感器的可靠性和稳定性。
第三，FBG光栅传感技术具有很高的兼容性和可扩展性。
光纤光栅结构可以与光纤的各种特性相结合，如单模光纤、多模光纤、光纤喇叭片等，从而可以实现对不同物理量的测量，如温度、应力、压力、湿度等。
同时，由于光栅结构是分布式传感器，因此可以在一根光纤上实现多个光栅结构，从而实现多参数的测量，具有很高的可扩展性。
第四，FBG光栅传感技术具有很高的抗干扰能力和远程监测能力。
光栅传感器的工作原理是通过测量被反射回来的光强来获取待测物理量信息，这种工作方式使得光栅传感器能够抵抗外界的光强波动和光纤传输损耗等因素的影响。
此外，光栅传感器可以与光纤网络相结合，实现远程监测和网络传输，从而实现对远程目标的实时监测和控制。
最后，FBG光栅传感技术具有很高的经济性和应用潜力。
光纤光栅传感器的制备工艺相对简单和成熟，制备成本相对较低，从而降低了传感器的成本。
此外，光栅传感器的应用领域非常广泛，包括航空航天、电力、交通、石油化工等行业，具有很大的市场潜力。
光纤光栅传感器的工作原理和应用实例
光纤光栅传感器的工作原理和应用实例一、本文概述光纤光栅传感器作为一种先进的光学传感器，近年来在多个领域中都得到了广泛的应用。
本文旨在全面介绍光纤光栅传感器的工作原理及其在各领域中的应用实例。
我们将详细阐述光纤光栅传感器的基本原理，包括其结构、光学特性以及如何实现传感功能。
接着，我们将通过一系列应用实例，展示光纤光栅传感器在结构健康监测、温度测量、压力传感以及安全防护等领域的实际应用。
通过本文的阅读，读者将能够对光纤光栅传感器有一个全面深入的了解，并理解其在现代科技中的重要地位。
二、光纤光栅传感器的基本概念和原理光纤光栅传感器，也被称为光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器，是一种基于光纤光栅技术的传感元件。
其基本概念源于光纤中的光栅效应，即当光在光纤中传播时，遇到周期性折射率变化的结构（即光栅），会发生特定波长的反射或透射。
光纤光栅传感器的工作原理基于光纤中的光栅对光的反射作用。
在制造过程中，通过在光纤芯部形成周期性的折射率变化，即形成光栅，当入射光满足布拉格条件时，即入射光的波长等于光栅周期的两倍与光纤有效折射率的乘积时，该波长的光将被反射回来。
当外界环境（如温度、压力、应变等）发生变化时，光纤光栅的周期或折射率会发生变化，从而改变反射光的波长，通过对这些波长变化的检测和分析，就可以实现对环境参数的测量。
光纤光栅传感器具有许多独特的优点，如抗电磁干扰、灵敏度高、测量范围大、响应速度快、能够实现分布式测量等。
这使得它在许多领域，如结构健康监测、航空航天、石油化工、环境监测、医疗设备、智能交通等，都有广泛的应用前景。
光纤光栅传感器的工作原理决定了其可以通过测量光栅反射光的波长变化来感知外界环境的变化。
因此，在实际应用中，通常需要将光纤光栅传感器与光谱分析仪、解调器等设备配合使用，以实现对环境参数的精确测量。
光纤光栅传感器的基本概念和原理为其在各种应用场景中的广泛应用提供了坚实的基础。
光纤布拉格光栅压力传感器的研制与应用
光纤布拉格光栅压力传感器的研制与应用光纤传感技术是一种用光学方法对物理量进行测量的技术，具有灵敏度高、精度高和抗干扰能力强等优点，近年来逐渐得到重视和应用。
光纤布拉格光栅压力传感器是一种利用光纤布拉格光栅声学耦合效应对压力进行测量的传感器，具有体积小、抗干扰能力强和不受磁场和电场干扰等特点。
本文将介绍光纤布拉格光栅压力传感器的研制和应用。
一、光纤布拉格光栅压力传感器的结构和工作原理光纤布拉格光栅压力传感器由光源、光伏探测器、光纤布拉格光栅和传感器壳体等组成。
光纤布拉格光栅是将一段光纤经过激光束在光纤中刻上一系列间隔相等的反射光栅，形成一定的声学共振器。
当外部环境受到压力作用时，布拉格光栅的反射光波长会发生变化，利用光纤传输背景光源产生的光信号，可以测出布拉格光栅的反射光波长变化从而得到环境的压力大小。
二、光纤布拉格光栅压力传感器的研制光纤布拉格光栅压力传感器的制备需要对光纤进行光栅的刻制和声学共振器的制作。
具体来说，包括以下几个步骤：1. 光纤刻写光纤刻写是将一个较长度的光纤通过对激光束在其上进行光栅刻写，形成反射光栅的过程。
光纤可以采用陶瓷、石英、聚合物等材料。
光栅具有较高的制备要求，通常需要在100纳米级别、深度较浅的范围内进行刻写，从而得到合理的光学性能。
2. 光纤布拉格光栅制备将所制得的光纤布拉格光栅的孔径露出，加上一个结构精细、灵敏度高的传感器设计，就形成了一款光纤布拉格光栅压力传感器。
在制组成过程中，需要根据本身的性质进行设计，确定其工作原理的基本结构。
3. 传感器制壳对所制得的光纤布拉格光栅压力传感器进行外部包装，制成传感器壳体，保护传感器光学光缆不受外部物质的污染和机械碰撞等。
三、光纤布拉格光栅压力传感器的应用光纤布拉格光栅压力传感器的应用主要在以下几个领域：1. 汽车行业在汽车行业，光纤布拉格光栅压力传感器可以用于汽车制动系统、汽车发动机等的监测。
通过监测汽车制动系统或发动机的压力变化，及时发现可能存在的问题，从而避免发生意外事故，保障汽车行驶的安全性。
光纤布拉格光栅介绍
光纤布拉格光栅介绍光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）是一种利用光纤自身制作的光学滤波器，具有狭窄的光频选择性和温度、应变等参数的灵敏度。
它在光通信、传感、光谱等领域有着广泛的应用。
本文将对光纤布拉格光栅的工作原理、制备方法以及应用进行详细介绍。
光纤布拉格光栅是通过在光纤的折射率分布中形成周期性的折射率变化来实现的。
这种周期性变化的折射率分布可以实现光的反射，产生一个特定的波长范围内的反射光谱特征。
光纤布拉格光栅的工作原理可以用光波的布拉格反射（Bragg reflection）来解释。
布拉格反射是指当光波从两个折射率不同的介质交界面垂直入射时，会产生一定的反射光。
而在光纤布拉格光栅中，通过周期性的折射率变化，可以形成类似的反射波。
当光波传输到光纤布拉格光栅中时，一部分光波会被布拉格光栅反射，形成特定波长的反射光谱特征。
这个特定波长与布拉格光栅的周期性折射率变化以及入射光波的角度和波长等因素有关。
制备光纤布拉格光栅的方法有多种，常见的方法包括干涉法、相位控制法、光刻法等。
其中，干涉法是最常用的一种方法。
该方法使用两束光波的干涉产生布拉格光栅的周期性折射率变化。
通过调节其中一束光波的频率或角度，可以实现所需的布拉格波长。
相位控制法则是通过对光纤进行局部加热或拉长控制相位的变化，从而形成周期性的折射率变化。
光刻法是将光敏感材料涂覆在光纤表面，利用光的曝光和显影过程形成布拉格光栅。
光纤布拉格光栅在光通信领域的应用非常广泛。
它可以用作滤波器，实现波分复用技术，将多个波长的光信号传输在同一根光纤中。
同时，光纤布拉格光栅还可以用于光纤传感。
由于其具有温度、应变等参数的灵敏度，可以通过监测光纤布拉格光栅的反射光谱变化，实现对环境参数的实时监测。
光纤布拉格光栅传感技术已广泛应用于温度、压力、应变、流速、湿度等传感领域。
除了光通信和传感领域，光纤布拉格光栅在其他领域也有重要的应用。
例如，在激光器中，光纤布拉格光栅可以用作模式锁定元件，实现激光的稳定输出。
微型化布拉格光纤传感器的制备
微型化布拉格光纤传感器的制备在现代科技和工业的发展中，传感器是必不可少的元器件。
传感器可以将环境参数转换为电信号，用于监测和控制多种系统，例如汽车、医疗、军事等领域。
由于传感器需要具备高灵敏度和低功耗等特点，开发微小化传感器已成为今天的趋势。
而布拉格光纤传感器因其高精度、高灵敏度和抗干扰能力强等优点，受到全球研究者的重视。
因此，本文将着重讨论微型化布拉格光纤传感器的制备方法及其在实际应用中的优势。
一、布拉格光纤传感器介绍布拉格光纤传感器是一种应变或温度传感器，其原理基于布拉格光栅。
布拉格光栅是指有序的折射率变化区域，由于布拉格光栅的特殊结构，可以反射特定波长的光，并形成叠加的光波。
通过测量光波的干涉程度，可以获得布拉格光纤传感器所需要的应变或温度信息。
常见的布拉格光纤传感器主要有两种类型：弯曲型和拉力型。
弯曲型布拉格光纤传感器适用于监测机械振动和应变，而拉力型布拉格光纤传感器则适用于监测材料的拉伸和压缩应变。
与传统传感器相比，布拉格光纤传感器具有以下优点：1. 具有极高的精度和灵敏度，可以检测微小的应变或温度变化。
2. 抗干扰能力强，可以在复杂的环境中进行监测。
3. 不受磁场、电场等外部信号的干扰。
4. 具有长时间的稳定性和可靠性。
二、微型化布拉格光纤传感器制备方法布拉格光纤传感器制备是一个复杂的过程，需要使用高科技设备和精密加工技术。
当前的微型化制备方法主要包括两种：光刻技术和激光加工技术。
1. 光刻技术光刻技术是一种基于光化学原理的微型加工技术，其原理是使用光刻胶在纤维表面上形成一层薄膜，再通过紫外线的照射，通过显影和蚀刻等处理，最终形成布拉格光栅结构。
利用光刻技术制备微型化布拉格光纤传感器的主要优点在于加工精度高，制备差异小，并减少了制造成本。
但其缺点是光刻胶需要经过多次处理才能形成一层薄膜，而且时间较长，容易造成损伤。
2. 激光加工技术激光加工技术是一种直接在纤维表面形成布拉格光栅的方法。
光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术
光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术电子传感器数十年来一直作为测量物理与机械现象的标准机制。
尽管具有普遍性，却因为种种限制，在许多应用中显得缺乏安全、不切实际或无法使用。
基于光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术，利用“光”作为介质取代“电”，使用标准光纤替代铜线，从而克服种种的挑战：由于光纤不导电且电气无源的良好特性，可以消除由电磁干扰(EMI)引起的噪声影响，并且能在少量损耗乃至不损耗信号完整性的前提下远距离传输数据。
此外，多个FBG传感器可沿一根光纤通过菊花链(daisy chain)方式连接，极大减少了测量系统的尺寸、重量和复杂性。
1.FBG 光学传感器基础1.1概述近几十年以来，电气传感器一直作为测量物理与机械现象的标准设备发挥着它的作用。
尽管它们在测试测量中无处不在，但作为电气化的设备，他们有着与生俱来的缺陷，例如信号传输过程中的损耗，容易受电磁噪声的干扰等等。
这些缺陷会造成在一些特殊的应用场合中，电气传感器的使用变得相当具有挑战性，甚至完全不适用。
光纤光学传感器就是针对这些应用挑战极好的解决方法，使用光束代替电流，而使用标准光纤代替铜线作为传输介质。
在过去的二十年中，光电子学的发展以及光纤通信行业中大量的革新极大地降低了光学器件的价格，提高了质量。
通过调整光学器件行业的经济规模，光纤传感器和光纤仪器已经从实验室试验研究阶段扩展到了现场实际应用场合，比如建筑结构健康监测应用等。
1.2光纤传感器简介从基本原理来看，光纤传感器会根据所测试的外部环境参数的变化来改变其传播的光波的一个或几个属性，比如强度、相位、偏振状态以及频率等。
非固有型 (混合型) 光纤传感器仅仅将光纤作为光波在设备与传感元件之间的传输介质，而固有型光纤传感器则将光纤本身作为传感元件使用。
光纤传感技术的核心是光纤–一条纤细的玻璃线，光波能够在其中心进行传播。
光纤主要由三个部分组成：纤芯(core)，包层(cladding)和保护层(buffer coating)。
光纤布拉格光栅电流传感器的研究的开题报告
光纤布拉格光栅电流传感器的研究的开题报告一、选题背景随着电气化程度的逐步提高，电力系统对于电流传感器的需求也越来越高。
而传统的电流互感器存在体积大、重量重、精度低等问题，同时也不利于智能化系统的发展。
因此，光纤传感器作为新型的传感器，逐渐得到广泛的关注。
目前，光纤布拉格光栅电流传感器已经被广泛地应用于电力系统中，它具有体积小、重量轻、精度高、抗干扰性能好等优点。
因此，本文选取此课题研究，旨在深入探究光纤布拉格光栅电流传感器的原理、结构、工作机理以及应用前景等信息，为电力系统领域的电流监测提供新的解决方案。
二、研究目的本研究旨在通过对光纤布拉格光栅电流传感器的相关内容进行系统深入地探究，以期进一步提高电力系统电流监测的精度、可靠性和智能化程度，为电力系统的稳定运行和可持续发展做出有益的贡献。
三、研究内容和方法1. 研究内容本研究将重点探讨以下几个方面：（1）光纤布拉格光栅电流传感器的基本原理和结构特点；（2）光纤布拉格光栅电流传感器的工作机理和量测特性；（3）典型的光纤布拉格光栅电流传感器的设计方法和实现技术；（4）光纤布拉格光栅电流传感器在电力系统领域的应用前景和实际应用情况。
2. 研究方法本研究将采用文献资料法、实验法、模拟计算法等多种方法，全面系统地分析和探讨光纤布拉格光栅电流传感器的相关内容。
四、研究意义和预期结果1. 研究意义本研究将有助于深入理解光纤布拉格光栅电流传感器的基本原理和结构特点，进一步提高电力系统电流监测的精度、可靠性和智能化程度，为电力系统的稳定运行和可持续发展做出有益的贡献。
2. 预期结果通过本研究，预期得到以下结果：（1）深入解析光纤布拉格光栅电流传感器的基本原理和结构特点；（2）详细探讨光纤布拉格光栅电流传感器的工作机理和量测特性；（3）总结光纤布拉格光栅电流传感器的设计方法和实现技术；（4）分析和评估光纤布拉格光栅电流传感器在电力系统领域的应用前景和实际应用情况。
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2019年第10期光纤布喇格光栅水流流速传感器的设计Design of fiber Bragg grating water flow velocity sensorZHANG Hao 1,2,ZHONG Zhixin 3*,HU Junhai 4,ZHAO Yujia 5(1.Structural Health Monitor and Control Institute,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China;2.The Key Laboratory for Health Monitoring and Control of Large Structures of Hebei Province,Shijiazhuang 050043,China;3.School of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China;4.State Key Laboratory of Traction Power,South-west Jiaotong University,Chengdu 610031,China;5.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China )Abstract:Real-time monitoring of water flow environmental parameters of structures in water is helpful to accurately analyze the effect of water flow scouring and its influence on structure.Based on the principle of fiber Bragg grating (FBG )sensor,a sensor for real-time monitoring of flow velocity is developed.The calculation formula of flow velocity and the calculation method of sensor range and sensitivity are deduced.The structure and performance of the sensor are simulated and analyzed by using AN-SYS and Fluent software,and the sensor calibration experimentis carried out.The experimental results show that the error of the sensor is within 7%in the range of 0.05~5m/s,which can meet the actual monitoring needs of underwater structures and provide reliable data sources for scouring analysis.Key words:fiber Bragg grating;flow velocity sensor;simulation analysis;calibration experiment张浩1，2，钟志鑫3*，胡军海4，赵雨佳5(1.石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所,石家庄050043;2.河北省大型结构健康诊断与控制实验室,石家庄050043;3.石家庄铁道大学土木工程学院,石家庄050043;4.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都610031;5.西南交通大学土木工程学院,成都610031)摘要:实时监测水中结构物所处水流环境参数，有助于精确分析水流冲刷作用及其对结构的影响。
基于光纤布喇格光栅（FBG ）传感原理，研发了一种水流流速实时监测的传感器，推导了该传感器的流速计算公式和传感器量程与灵敏度的计算方法，利用ANSYS 和Fluent 软件对传感器的结构性能进行了仿真分析，并进行了传感器标定实验。
实验结果表明：所研发的传感器在0.05~5m/s 流速范围内，误差始终保持在7%以内，可满足水中结构的实际监测需求，为冲刷分析提供可靠的数据来源。
关键词:光纤布喇格光栅；流速传感器；仿真分析；标定实验中图分类号:TB937;TH814;TN253文献标识码:A 文章编号:1002-5561(2019)10-0005-06D OI :10.13921/ki.issn1002-5561.2019.10.002开放科学(资源服务)标识码(OSID ):引用本文:张浩,钟志鑫,胡军海,等:光纤布喇格光栅水流流速传感器的设计[J].光通信技术,2019,43(10):5-10.0引言由于水中结构物在长期使用过程中不断受到水流、波浪的冲刷和冲击等因素的影响,出现水上结构基础动力软化、材料侵蚀老化的现象,导致水上结构构件及整体抗力衰减,影响结构的安全度和耐久度[1]。
因此,长期监测水流的流速情况,对掌握水上结构物的性能演变、评价结构的工作状态、针对性合理的养修、各种安全事故的避免、确保水上结构物的安全以及提高其使用的年限具有重要意义。
目前,国内外大量的学者都将流速传感器的研发应用在固定的管道(油管、天然气管等)中,仅用来检测管中流体的流量变化,而对于大跨桥梁所处大江大河环境的水流流速监测的研究较少。
这主要是由于管收稿日期:2019-04-27。
基金项目:国家重点研发计划项目子课题(2016YFC0802202-3)资助;河北省教育厅重点项目(ZD2015060)资助。
作者简介:张浩(1976-),男,江西新余人,博士,副教授,师从东南大学吴智深教授(日本工程院外籍院士),在石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所杜彦良院士团队工作,主要从事桥梁结构健康监测及光纤传感技术方面的研究。
2017年获国家技术发明二等奖。
*通信作者:钟志鑫(E-mail:zzxjgjkjc@)。
5〇期张浩,钟志鑫,胡军海,等:光纤布喇格光栅水流流速传感器的设计道中流体方向相对固定,而水上结构所处水流环境相对复杂,流向时刻发生变化,导致水流流速测量困难[2]。
近些年,超声波流速传感测量仪逐渐被用于测量实际跨海大桥等水上结构物所处环境的水流流速,此类传感器采用非接触式测量方式,无压损,但其因测量线路复杂,测量精度易受被测液体温度影响而广受诟病[3]。
之后,电磁波流速传感测量仪和声学多普勒流速传感测量仪逐渐兴起,这些设备的测量精度相对较高,但制造成本高,且因水下环境复杂,测量仪易受到电磁环境干扰,测量效果并不理想,导致应用场景有限[4]。
故研究一种成本低、精度高、抗外界电磁环境干扰能力强和能够实时在线监测不定向水流流速的传感器显得异常重要。
近年来,光纤布喇格光栅(FBG)以其不易受外界电磁环境干扰、测量精度高、体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、带宽范围大、附加损耗小和耦合性好等优势,逐渐被用来当做各类传感器的测量元件[5,6]。
针对实际水流环境监测需求,本文基于FBG传感技术研发一种新型流速传感器。
1传感器结构及传感原理1.1传感器结构针对传感器需要实现的功能,本文设计的新型流速传感器的结构如图1所示。
主要构成部件为:文丘里管、滑动连接件、偏心轮、垫圈、封闭推杆、位移传导轴、位移顶轴、螺母、调节钉、转向轴、简支梁、支撑架、机架底座、滚动轴承、轴套编码盘、水轮、杠杆和万向板。
1.2传感器测量原理新型流速传感器的测量原理主要分为5步:①万向板流向自适应。
要解决水流流向不定向的问题,传感器需要自适应流向变化。
传感器设计万向板结构来适应水流不定向流动,其特点是万向板一侧固定于转轴上,可随转轴转动,转动轴承固定在机架上。
万向板工作时,转轴竖直,在水平面内随水流方向改变而旋转,带动与它固定的转轴一起旋转,待水流流向与万向板平面平行且由近轴端流向远轴端时,万向板处于平衡状态不再旋转,否则将继续旋转至平衡状态。
万向板自适应水流示意图如图2所示。
②文丘里管流速增敏放大。
待水流自我适应后,水流从文丘里管进水口流入,收缩口流出。
根据流量相等原理,放大水流流速,增加测量灵敏度,实现对低流速水流的精确测量。
③水轮受力传导流速。
水流从收缩口流出,与水轮接触,驱动水轮转动,杠杆将水轮的转动变化量传递到位移传导轴上,带动位移顶轴(仅上下移动,过滤掉位移传导轴的转向)上下往复移动,水流流速变化引起位移顶轴周期性往复运动的频率变化。
流速测试原理如图3所示。
④流速转为光栅频率。
位移传导轴穿过中空转向轴,跟其上部的转动轴承和位移顶轴相连接,位移顶轴上端和简支梁相连接,FBG粘贴于简支梁的上端跨中间处,并采用特定的柔性材料(环氧树脂等)对其进行封装处理。
为消除温度对测量的影响,串联一个温度补偿光栅,其示意图如图4所示。
简支梁跨中受到位移顶轴往复推动力作用发生振动,导致光栅波长频率发生变化,通过感知频率变化,间接测量流速大小。
上部结构整体装入圆形保护筒中,防止测量过程中水流渗入,影响测试效果。
⑤光栅频率识别方法。
实验过程中,利用FBG解调仪设置采样频率,对测试用FBG和温补光栅进行波长数据采集。
分别将采集到的波长减去初始中心波长,得到各自的波长变化量1和2。
将采集到的对图1新型流速传感器结构示意图(a)传感器正视图(b)传感器左视图(c)传感器俯视图图2传感器万向板自适应水流示意图6〇2019年第102019年第10期应波长变化量1和2进行相减,提取两者相减量大于0.1nm 所对应的频率数据,即为流速对应频率值。
1.3传感器流速计算公式与量程尧精度表达式1.3.1流速计算公式根据流体力学可知,流体以速度1流入文丘里管时,根据流量相等原则:1×1=2×2(1)其中,1为水流流入文丘里管时的初始截面积(mm 2),2为水流流出文丘里管时的截面积(mm 2)。
由式(1)可知经过文丘里管放大的速度2。
流体以该速度流过水轮叶片,水流与水轮的接触点的速度也同为2。
根据同轴转动角速度相等原理,可知小齿轮转动线速度3。
假设小齿轮齿数为,由于一个齿轮数对应位移顶轴的一次往复运动,位移顶轴运动导致简支梁振动,光纤光栅解调仪可读出因简支梁振动而导致光栅波长变化的频率,根据=1算出位移顶轴发生一次往复振动时间间隔,则:××3=2π2(2)其中,2为小齿轮半径(mm )。