Study on phase shifted fiber Bragg grating spatial sensing properties to ultrasonic wave at arbitrary excitation angle

Abstract

Taking into account the birefringence effect, the sensing models of phase shifted fiber Bragg grating (PS-FBG) under ultrasonic wave from arbitrary excitation angle were established, and its reflection spectrums were analyzed by simulation based on the transfer matrix principle. Under the excitation of transverse ultrasound, the PS-FBG sharp dip was split into two peaks due to birefringence, the split point spacing increased with the transverse force; under the effect of the ultrasonic wave from random angle, the PS-FBG signal intensity and the ultrasonic excitation angle presented a Cosine curve with two peaks in the middle. Finally, the relevant conclusions were verified by experiments and 12.11 MHz ultrasonic wave was obtained by PS-FBG.

Friction-varying tactile display with large working space for texture reproduction

“…Based on the squeeze film effect, the touch tablet should work at high-frequency vibration, thus, to change the contact frictional force between the finger and touch tablet. P-51 piezoelectric ceramics were pasted on the back of the touch tablet as the executor of vibration due to their high response rate and piezoelectric strain constant [22,23,24,25,26].…”

Ultrasonic sensing directivity of π-phase-shifted fiber Bragg grating hydrophone

“…grating, FBG)因有着体积小、灵敏度高、易复用等优点在结构健康检测、生物 医学传感、物理海洋观测和地球物理勘探等 [1,2,3,4,5] 多个声传感领域得到了广泛应 用。在声传感时，存在着光栅长度小于声波波长一半的限制 [6,7] ， π 相移光纤光 栅(Pi-Phase-Shifted Fiber Bragg Grating, PS-FBG)因将光局限在相移处附 近 ， 有 效 光 栅 传 感 长 度 短 ， 更 适 合 对 波 长 小 的 超 声 波 进 行 传 感 [8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,21,22,28] 。 在进行 PS-FBG 水听器的封装结构设计或应用于超声场测量时，都需对其 指向性有较清晰的认知，因此开展 PS-FBG 水听器的超声波传感指向特性研究十 分必要。Fomitchov 等人 [20] 用 1.7mm 的 FBG 进行了水中超声传感实验，测量了与 法向成角 60  时的指向性，指明当光纤中导波和水中直达声波干涉叠加时光纤 光栅的响应出现极大值，在垂直入射时出现极小值。由于光栅结构与长度的不 同，存在相移的 PS-FBG 与 FBG 的传感特性有所差异。Liu 等人 [21] 通过数值模拟 进行了理论分析，并探究了超声波波长与光栅长度比值的影响，表明在超声波 垂直光纤入射时 PS-FBG 的响应最大，且随光栅长度与声波长的比值增加，其响 应由全方向性变为在垂直轴向的方向性，但缺乏仿真或实验的验证，及对垂直 轴向以外角度入射的分析。Wu 等人 [22] 就垂直轴向、沿轴向和与法向成 45 三个 角度在 1、2 和 4MHz 时进行了实验，结果也表明 PS-FBG 在垂直光纤入射时响应 最大，但未进行其它角度和频率的实验。因此，对 PS-FBG 的水中指向性及频率 响应的研究仍存在着空白。此外，上述研究通常认为纤芯的应变与声波幅度之 间是由纤芯或涂覆层材料特性决定的简单线性关系，关于声波在光纤内传播过 程的考虑较少。 光纤由纤芯、包层及涂覆层组成，其每一层可看作是横向各向同性的圆柱 结构，在流体加载时需考虑轴向导波和弯曲波 [23,24,25] 。在考虑多层圆柱结构，尤 其是在只关注某一层特性时，解析解的求解是复杂且不稳定的，此时可使用传 递矩阵法。Rokhlin 等人 [26] 指明在分层介质声传播理论的传递矩阵中，以位移和 应力为连续条件的方式在计算上更具稳定性。Huang 等人 [27] 借助势函数将多层圆 柱结构的每一层用位移和应力联系起来，分析了不同角度声波入射时多层圆柱 的应变。Veres 等人 [28] 将此方法用于光纤传感中，分析了光纤对球面声波的响应， 并用 PS-FBG 进行了实验验证，但其在计算声响应时仅通过积分计算了光纤本身 的双折射效应，而未考虑到 PS-FBG 是波长调制型传感器及 π 相移的影响，而基 于光学耦合模方程的传递矩阵方法 [29,30] 则可以通过计算反射光谱得到光纤光栅光…”