聚甲基丙烯酸甲酯光纤色散布拉格光栅的高灵敏度高空间分辨率分布式应变传感

本研究提出并实验验证了一种基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）色散光纤布拉格光栅（Chirped Fiber Bragg Grating, CFBG）的高灵敏度、高空间分辨率分布式应变传感技术。相较于传统的二氧化硅光纤，PMMA材料具有较低的杨氏模量，这意味着在相同的外部力作用下，可以实现更高的应力敏感度。利用CFBG的空间波长编码特性，这种方法能够实现对结构中各部位的应变分布进行非接触式、连续监测。 首先，作者们探讨了线性色散的CFBG在聚合物光纤中的应用优势。由于聚甲基丙烯酸甲酯的光学性能稳定，且其相对较低的弹性模量使其在承受应力时能够产生更大的光谱响应变化，从而提高了传感器的灵敏度。这种方法对于结构健康监测、桥梁工程、航空航天等领域具有重要意义，因为高分辨率的应变测量可以帮助检测微小的变形或损伤，及时预警潜在风险。 研究中，设计和制造了一种基于PMMA CFBG的分布式传感器系统。通过精心调整CFBG的制作工艺，如精确控制折射率梯度和周期性，确保了传感器能够在宽的应变范围内保持良好的响应。同时，采用先进的光谱分析技术，如光纤光栅分析仪（FPGA），来解析和解码由应变引起的Coulomb背反射光谱变化，从而实现高精度的空间位置与应变关系的映射。 实验部分展示了这种新型传感器的有效性和可靠性。通过在实验条件下施加各种应力载荷，包括静态和动态应变，观察到传感器响应与理论预测的良好一致性，证明了其在实际应用中的实用价值。此外，该研究还评估了温度对传感器性能的影响，并进行了有效的补偿措施，以减小环境因素对测量结果的干扰。 这项工作为光纤布拉格光栅在聚合物材料中的应用开拓了新领域，特别是在需要高精度和高空间分辨性的分布式应变监测中。通过优化设计和实验验证，研究人员开发出了一种具有广泛应用前景的新型高性能传感器，有助于提高结构健康监测系统的可靠性和准确性。