基于等截面矩形悬臂梁光纤光栅传感器性能分析与研究

基于等截面矩形悬臂梁光纤光柵传感器性能分析与研究

光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratings,FBG)传感技术由于可以实现长距离、多参量、大范围组网以及实时监测,因而广泛应用于军事、工业、农业等领域中。为应对现代社会高新技术的快速发展需求,需要不断地设计出新的传感器结构,

开发新的传感方式,提升传感器性能并拓展应用领域。在大多数实际应用中FBG

长度范围内的应变是非均匀分布的,严重影响了传感器的性能甚至使传感器失效,限制了 FBG传感器的应用。因此研究基于非均匀应变分布下的FBG传感特性、

传感结构和传感方式是有意义的。

在深入研究学习了 FBG传感技术研究现状与传感原理的基础上,本文开展

了基于等截面矩形悬臂梁FBG传感器的传感性能分析与研究工作。首先得到了表面式FBG传感器的应变传递率表达式,模拟仿真详细地分析了各个物理参量与应变传递率的变化关系。进一步仿真分析了中间层尺寸对平均传递率的影响,指出了封装中应尽量增大长度和宽度以减小厚度的影响,以提高封装结果的重复性和一致性。为封装工艺的改进指明方向,并为应变传递误差的修正提供了理论基础。

然后利用激光切割技术结合等截面矩形悬臂梁构建了非均匀应变分布,测试分析了均匀FBG和切趾FBG在非均匀应变分布中的传感特性与不足。提出了基于双均匀FBG光谱带宽传感的位移传感器,解决了单个均匀FBG反射光谱带宽在任意非均匀应变分布下传感线性度较差和灵敏度较低的问题。设计并实现了三种敷设位置不同的FBG位移传感器,实验测量证明了双均匀FBG光谱带宽传感的方式在多种非均匀应变分布场中的有效性,改善了传感线性度,提高了传感灵敏度。接着提出了基于不同非均匀应变分布的切趾FBG中心波长编码方式的位移传感器,分析了不同应变放大结构对传感器灵敏度的影响。

研究了切趾FBG长度范围内非均匀应变分布的变化规律,利用平均应变的变化关系计算了传感器的灵敏度和灵敏度增强因子。通过测量得到了与理论预测较为一致的增强因子,提高了基于等截面矩形悬臂梁FBG传感器的灵敏度。最后对模拟退火算法进行了改进,提出了基于模拟退火算法的应变分布重构技术,通过

仿真实验证明了 FBG应变分布重构算法的可行性与有效性,算法仿真实现了线

性非均匀应变分布重构。