准分布式光纤传感输电线路安全监测技术

针对电力行业安全监测技术中常用的电学传感器易受干扰的问题,设计了一种基于抗弯拉光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器和波分复用(WDM)技术的准分布式输电线路安全监测系统.采用不受力的两端点粘封装方式对传感器进行封装,解决了温度与应变交叉敏感的问题.采用光纤布拉格光栅串并联加波分复用的方式,实现单系统320个测点的同时监测.试验结果表明,所研制的光纤布拉格光栅温度传感器灵敏度为11.2 pm/℃,可用于输电线路温度的长距离实时在线监测,满足电力系统安全运行监测的需求.     

准分布式光纤传感输电线路安全监测技术

针对电力行业安全监测技术中常用的电学传感器易受干扰的问题,设计了一种基于抗弯拉光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器和波分复用(WDM)技术的准分布式输电线路安全监测系统.采用不受力的两端点粘封装方式对传感器进行封装,解决了温度与应变交叉敏感的问题.采用光纤布拉格光栅串并联加波分复用的方式,实现单系统320个测点的同时监测.试验结果表明,所研制的光纤布拉格光栅温度传感器灵敏度为11.2 pm/℃,可用于输电线路温度的长距离实时在线监测,满足电力系统安全运行监测的需求.     

预紧封装光纤光栅温度传感器传感特性研究

为了获得稳定测量温度变化的光纤光栅温度传感器,笔者研究带预紧力的光纤光栅温度传感器的封装技术及其传感特性。通过温度传感理论分析,在避免光纤光栅对温度和应变的交叉敏感情况下,对光纤光栅温度传感器进行有限元Ansys应力分布进行模拟,可知本封装具有一定的减敏作用,温度测量量程增大,满足更多实际工程中的使用。环氧树脂DP420将带有预紧力光纤光栅封装在铍青铜材料的圆柱体内,在恒温鼓风干燥箱对光纤光栅温度传感器进行传感特性研究,40~120℃的范围内,每次升温5℃。所得结果,此光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数为23.81pm/℃,是裸光纤光栅传感器的2倍,且线性度达0.999以上。该文对光纤光栅工程化具有较大的应用价值。     

管式封装FBG大量程温度传感器及其特性研究

针对工程温度测量问题,提出了一种光纤光栅温度传感器的管式封装方法。利用耐高温AB胶将裸光栅粘贴于铜管内壁,实现增敏效果。首先简述了光纤光栅温度传感原理及其增敏模型,然后搭建了相应的温度实验平台,并且实验研究了铜管封装FBG温度传感器与裸光栅的温度感知特性。实验结果表明:在-40℃~120℃的区间范围内,铜管封装FBG温度传感器的灵敏度达到25 pm/℃左右,与理论值相符,且相较于裸光栅具有更高的灵敏度与线性度。该温度传感器具有良好的温度感知特性,可以应用于工程温度的检测。     

基于光纤光栅的小热惯量温度场监测实验

为了研究温度传感器测量小热惯量温度场的准确性和即时性,对2ml沸水分别利用水银温度计、热电偶和金属管封装的光纤光栅温度传感器进行测温,所测温度的值分别为94.0℃、95.0℃和98.6℃,三者的响应时间分别为10.0s、8.5s、2.5s。可见,小体积金属管封装的光纤光栅温度传感器测量精度高,响应速度快。并对不同封装工艺的光纤光栅温度传感器的传感特性进行比较,结果表明,对于小热惯量温度场的监测,传感器的封装方式应采用小内径金属管封装方式。     

两种封装的光纤光栅温度传感器的低温特性

介绍了光纤光栅(FBG,Fiber Bragg Gratings)温度传感器的两种封装形式。推导了两种FBG温度传感器的温度敏感因素并进行了实验验证。实验研究了两种FBG温度传感器在-70~0 ℃的中心波长低温变化特性,比较了相同条件下两种FBG温度传感器的实验结果。结果表明:细不锈钢管封装的FBG温度传感器的中心波长在-60 ℃时发生了突变,急剧下降;而镀金FBG温度传感器的中心波长在-70~0 ℃随温度线性变化,重复性较好并且几乎没有迟滞现象。两种传感器在线性变化区间的温度灵敏系数KT 分别为28.2 pm/ ℃和21.3 pm/ ℃,分别是裸光纤布拉格光栅的3倍和2.3倍,它们的线性拟合度都超过0.999。     

用于真空环境的光纤光栅温度传感器设计

光纤光栅传感器在航空航天领域有着广阔的应用前景,为了实现在航空航天真空环境下对卫星结构进行温度测量,对光纤光栅进行了特殊封装结构设计,在准确采集温度数据的同时,排除了结构应变对测量结果的影响,并对设计进行了有限元仿真分析。在-60-60℃的温度环境下,这种新型封装光纤光栅温度传感器的测试线性度为0.998,温度灵敏度为14.87pm/℃。为了验证其解耦特性,在MTS拉伸试验机上进行了测试,试验结果表明:结构形变带来的应变对该温度传感器没有影响,与理论分析相符。将其运用到实际真空环境进行对比验证,实验精度达0.15+0.002|t|℃。     

基于光纤光栅法珀腔传感器的结构表面温度测量方法

针对结构表面温度测量需求,提出了一种基于光纤光栅法珀腔传感器的表面温度测量方法,通过光纤光栅和光纤法珀 传感同时获取被测结构的温度、应变信息,从而补偿应变对温度的交叉敏感。 本文分析了光纤光栅法珀腔的表面温度测量原 理,通过仿真对传感器的主要参数进行了设计;并提出了一种基于双参数的最小均方差估计算法用于光纤光栅法珀腔传感器的 信号解调;最后,对光纤光栅传感器和光纤光栅法珀腔传感器进行了温度测量对比实验。 试验结果表明,光纤光栅法珀腔温度 传感器在常温到 400℃范围内,温度测量值的直线拟合相关系数为 0. 998 4,最大误差百分比为 1. 46% ,均优于单光纤光栅温度 传感器。     

基于桥梁结构的FBG传感器温度与应变交叉敏感问题的研究

对光纤布拉格光栅(FBG)传感器在桥梁结构健康监测中产生的温度与应变交叉敏感问题进行了研究。采用参考光纤光栅法在应变传感光纤光栅附近额外加入一个温度测量光纤光栅,对应变光栅实现温度补偿功能。设计了基于参考光纤光栅法的FBG传感器及FBG传感器封装的机械结构,并通过实验来验证FBG传感器的性能。实验数据表明,温度传感光纤光栅几乎不受应变的影响,应变传感光栅的中心波长变化与温度变化呈一阶线性关系,修正后的测量结果更加精确,达到了双参数同时测量的目的,应变与布拉格波长的线性关系非常好,相关系数达到0.99以上。参考光纤光栅法能够很好地解决FBG传感器温度与应变交叉敏感的问题。     

应变解耦增敏式FBG温度传感器的设计与应用

为了实现飞机载荷谱飞行实测中对温度参数的精确测量，设计了一种应变解耦增敏式光纤光栅（fiber Bragg grating,简称FBG）温度传感器。通过力学建模分析设计新的传感器结构，对传感器的光纤光栅进行增敏处理，选取铝7075-T6为基底进行全覆盖式封装，提出光纤光栅封装位置与结构件之间无直接接触方式，排除结构形变对温度传感器带来的影响。经标定测试传感器温度灵敏速度为40.4 pm/℃，是普通光纤光栅的4倍。搭建实验系统进行其性能探究以及在拉伸实验机上进行解耦特性验证，拉伸实验件的变形对该温度传感器没有影响，与理论分析相符，最终将传感器贴于飞机座舱中进行实际工程应用。实验表明，传感器测得的温度差最大不超过±1 ℃，表明设计的传感器可以用于实际温度测量中，满足在飞机载荷谱飞行实测中温度参数精确测量的需求。     

柔性曲面变形检测的FBG方法

为实现太阳能帆板、飞机机翼等薄板类曲面的动态检测,构建了一种基于光纤光栅（FBG）的传感阵列系统。将FBG传感器分布式地封装在形状记忆合金（SMA）薄片上,并采用增加预应力方式,扩大FBG检测拉应力的检测范围;利用空分复用（SDM）和波分复用技术（WDM）将FBG阵列布置到曲面上,传感器分布根据曲面应力状况采用植入式分布,应变较大的地方布置稠密,反之稀疏;曲面发生变形时,解调仪器解调出波长变化;计算机对采集数据进行处理,重建曲面形状并实时显示,以实现曲面的动态检测和显示。实验结果表明,此传感阵列系统的波长变化与曲率具有较好的线性关系,传感器布置合理、测量精度高,利用FBG能够实现曲面变形检测。     

一步超声法金属化封装FBG的传感特性

为解决传统胶封传感器普遍存在的蠕变、老化问题,本文提出基于一步超声法的光纤光栅表面金属化封装方法。在相同条件下分别对有聚酰亚胺涂覆层和无涂层的两种FBG进行金属化封装,研究了封装后FBG传感器的光谱、热学和力学特性,并利用扫描电子显微镜对其横截面的微观形貌进行了表征。结果表明:封装后有涂覆层FBG的反射光谱无明显畸变、边模抑制比大于10 dB,温度灵敏系数达34.63 pm/℃,应变灵敏系数为1.18 pm/με,应变传递效率达98.5%,线性度达0.999,均优于无涂层的FBG传感器。当温度从14.2℃突变到80℃经过多次冲击试验,发现金属化封装无涂层的FBG的温度增敏结构被破坏,而有涂层的FBG传感器仍保持优异的温度响应特性。SEM图显示,金属合金与有无涂覆层的光纤和金属基底都结合致密。该方法无需对光纤进行表面金属化预处理,操作简单易行,在恶劣环境、超长服役时间的光纤传感应用领域中具有重要的价值。     

柔性曲面形状检测传感网络设计

针对太阳能帆板等柔性曲面检测,其动态变形检测难度大。用光纤光栅（Fiber bragg grating,FBG）设计曲面传感阵列,利用空分复用和波分复用技术构建传感网络检测系统。传感器网络的数目根据波动理论和检测仪器的最大解调范围确定;传感网络在曲面的分布根据曲面应力状况和变形特点进行植入式分布,在振幅最大的位置布置传感器,在曲面应变大的位置布置稠密,反之稀疏,根据曲面变形的有限元模型,实现模拟太阳能帆板柔性曲面传感网络设计。并对传感网络的检测精度进行试验,试验表明此传感网络中传感器检测具有良好的线性关系,传感网络中传感器布置位置合理,传感网络能够检测帆板的多种变形。传感器封装在保持40 mm的长度中,传感器测试误差仅有0.4％,柔性曲面测试误差小于4%。     

灵敏度系数可调布拉格光栅应变传感器的设计

针对裸光纤布拉格光栅应变监测量程或精度有限的问题,提出了一种灵敏度系数可调光纤布拉格光栅应变传感器的设计方法。理论和实验研究了该方法在增大光纤布拉格光栅应变监测量程或提高精度方面的性能,并以此研制了基片表面粘贴式和FRP封装式两种封装结构的灵敏度系数可调应变传感器。理论分析并实验标定了传感器的灵敏度系数。最后,对传感器理论和实验灵敏度系数误差进行了分析,指出了改进的方向。实验结果表明:两种封装结构的大量程传感器的量程分别增加了243%和126%,高精度传感器的精度提高至0.51με和0.52με。传感器标定实验表明,两种封装结构的传感器都有很好的线性度和重复性,相关系数达到0.999以上。     

大型柔性曲面振动智能检测

以太空太阳能帆板的振动为对象建立大型柔性曲面振动检测样机,提供一种基于非视觉传感方法的大型柔性曲面振动智能检测方法和系统。系统将光纤光栅(Fiber bragg grating,FBG)分布式地封装于形状记忆合金基材中构成传感阵列,采用预应力封装提高FBG传感器的测量范围。根据波分复用和空分复用技术将传感阵列设计为传感网络,植入于曲面中,当被测曲面发生振动时, FBG解调仪检测到分布传感器的波长变化,转化为相应曲面上特征曲线的曲率信息。由曲率信息和弧长信息重建曲面形状,并在屏幕上显示出来,实现柔性曲面智能形状检测。试验结果表明,检测系统的FBG传感网络检测灵敏度高,重建算法速度快,重建曲面精度高,能够应用于大型柔性曲面的安全检测和监控。     

一种新型的内窥镜三维形状重构与定位算法

本文在研究智能内窥镜显示系统前提下,提出了一种新的内窥镜形状重构算法以及内窥镜前端的定位方法.在不改变内窥镜结构的情况下,将FBG(fiber bragg grating)传感器阵列内置于内窥镜钳道中,通过测得内窥镜中FBG传感器波长的变化来推导内窥镜任一点相对于内窥镜末端点的位姿,从而利用曲线拟合的方法重构出整个内窥镜的形状以及对前端的定位.受安装条件的限制,FBG传感器检测单元封装在SMA (shape memory alloy)合金丝上的真实位置与理论位置有较大的误差.为了减少安装精度对整个形状重建的影响,对传感器安装误差进行了分析以及对形状重构算法进行了修正.实验结果表明内窥镜前端的位置精度提高到了4.5 mm.     

基于 FBG 柔性传感器的形状重构

基于 PDMS 材料封装的光纤光栅(FBG)柔性传感器检测物体形状,研究了传感器个数与布局对不同形状物体重构精度 的影响。 使用 COMSOL 仿真软件验证了算法的准确性,制备了 4 个 FBG 柔性传感器并对其进行曲率标定,将传感器分布在铝 合金板上,均等分布 3 和 4 个 FBG 柔性传感器重构的最小相对误差分别为-6. 12% 和 0. 48% ,实验结果表明,使用 4 个传感器的 重构效果较好。 因此,在 7 组不同布局选择 4 个传感器,铝合金板一端分别施加 4 种不同重量的砝码,间隔为 260、100、90 mm 和 150、150、150 mm 的布局方式相对误差小重构效果好,且在第 7 组的相对误差都是最小,分别为 6. 22% 、-1. 01% 、-2. 52% 和 -3. 22% 。 本文制备的 FBG 柔性传感器为软机器人形状重构领域提供了应用基础。     

用于光纤光栅传感的低成本高分辨率多通道波长解调仪

本文报道一种用于光纤光栅传感的低成本高分辨率多通道波长解调仪。基于薄膜滤波技术的密集波分复用模块已被广泛用于光纤通信系统中，在本文中，采用已商品化的薄膜密集波分复用模块同时完成了以波分复用方式连接的多个光纤光栅传感器的信号分离与波长解调功能，研究了一种结构简单、低成本、高分辨率的光纤光栅传感系统。该传感系统的特点是可用于多通道动态测量。本文将具体介绍一种旧通道传感系统，该系统在3kHz频率下的动态应变的分辨率优于1nε√Hz。     

Strain sensing characteristic of ultrasonic excitation-fiber Bragg gratings damage detection technique

There are good prospects for development of ultrasonic excitation-fiber Bragg gratings (UE-FBGs) damage detection techniques in the field of Nondestructive Testing (NDT). However, corresponding strain sensing theories are few and only applicable to the embedded fiber Bragg gratings (FBGs) sensors in composite structures. First, a four-cylinder sensing model for both the embedded and glued FBG sensors is established by introducing a surface-bonded effect coefficient obtained from simulation analysis in this paper. According to the shear-lag theory, an improved strain sensing function is derived from this model by considering the contribution made by the elastic modulus of host material. Then, based on above function, the strain sensing characteristics are analyzed. Finally, the system with an ultrasonic transducer to excite FBG and a demodulation device employing a tunable laser to detect FBG wavelength shifts was established to validate the theoretical analysis. The experiment results showed that the ultrasonic strain sensing ability of the FBG sensor decreased with the increase of ultrasonic frequency and glued thickness.