基于PPP-BOTDA分布式光纤传感技术的管道健康监测应用研究

基于布里渊光时域分析(BOTDA)的分布式光纤传感技术已经逐渐广泛应用在各种民用、公用设备的应变与温度监测中.尤其是近年来兴起的一种新型传感技术:脉冲预泵浦布里渊光时域分析(PPP-BOTDA),通过引入预泵浦脉冲,获得了厘米级的空间分辨力.介绍了PPP-BOTDA技术的工作原理,阐述并探索研究了该新兴技术具有的优势与...     

利用超短FBG光谱线性区的传感解调系统

为了研究一种星载光纤光栅传感解调系统,通过高掺锗光纤载氢增敏和优化紫外曝光功率,实现了栅区长度小于0.5mm,反射率大于40%,3dB带宽大于5nm,反射谱边缘有效线性区域大于2nm的超短光纤光栅的写制。提出了一种将超短FBG作为传感器件,利用其光谱线性区进行传感解调的方法。将中心波长位于光谱线性区域的稳频激光入射到超短光纤光栅,随着超短光纤光栅光谱的漂移,反射光的功率随之变化。由于稳频激光位于线性区域,返回光功率与光谱漂移量呈线性关系,因而可实现传感测量。将该系统用于应变和温度的测量,结果表明,光功率随应变、温度变化具有较好的线性关系,线性度分别为0.997和0.999,灵敏度分别为54.59nW/με和230nW/℃。该方法可用于温度及应变的精确测量,并且具有结构简单、功耗小、测量空间分辨率高等潜在优势。     

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。     

高空间分辨率分布式光纤测温系统的设计及应用

分布式光纤测温系统是一种新型的线型感温探测器,以光纤作为传感器,可实现沿光纤分布的温度实时测量。理论分析了分布式光纤测温系统的原理以及影响空间分辨率指标的因素,并给出了0.5m高空间分辨率分布式光纤测温系统的设计以及测试情况。将高空间分辨率分布式光纤测温系统应用于电缆温度测量,测量结果表明0.5m空间分辨率下对小区域电缆过热点的探测更为显著,可及时发现潜在的火灾隐患。     

基于连续光抽运的布里渊光时域分析仪新技术

介绍了一种基于连续的抽运—探测光相关的布里渊分布式光纤传感器新技术,该技术采用频率调制连续的抽运光和探测光,通过检测沿光纤的后向布里渊散射光的频移实现温度和应变的分布式测量,其空间分辨力可达1cm,比常规基于脉冲抽运光的布里渊光时域分析仪(BOTDA)技术的分辨力高近两个数量级。还结合常规BOTDA讨论了该新技术高分辨力的优势和测量范围受限制的不足。     

34km传感长度的布里渊光时域反射计的设计与实现

布里渊分布式光纤传感器是目前最具应用前景的分布式光纤传感技术之一,其关键是如何检测布里渊散射光信号,布里渊光时域反射计是其中较好的检测方式。针对布里渊散射光信号特点,应用光相干技术来检测布里渊散射光信号。具体采用微波电光调制产生频率可调的参考光,和散射光进行相干检测,根据散射光频移特性,应用电信号处理技术取出布里渊散射光电信号,并采用偏振控制技术来抑制相干检测的偏振相干性,再经过数字信号累加和平均处理,最后得到分布式传感信号。采用光相干检测设计方案实现了布里渊时域反射计分布式光纤传感器,并进行了34km光纤的分布式应变传感实验。     

基于光纤传感技术的三维地应力传感器

为了实现对地下岩层空间应力状态及其变化规律的有效监测,基于光纤光栅传感技术与平面应力状态测量原理,提出了一种平面应变花与光纤光栅传感技术相结合的监测方法。通过利用碳纤维层积复合材料对光纤光栅封装做成应变传感单元,九个应变传感单元分别组成两组直角应变花与一组等角应变花,三组应变花分别放置于三个圆柱形探头S1,S2,S3上,三个探头以一定的机械结构连接构成地层空间应力的监测的三维地应力传感装置。对光纤应变传感单元进行温度与应力的标定实验,在室内对整体传感装置进行了应力加载模拟实验。实验结果表明:光纤应变传感单元的应力分辨率为0.017 2 MPa;应力监测为0~60 MPa;探头S1最大主应力的监测平均误差为16.31%,探头S2最大主应力的监测平均误差为24.36%,S3探头的绝对误差为0.006 8 MPa;实际加载应力与传感器测量的应力空间角度误差平均值为1.24°。传感器的监测结果与实际加载应力的变化规律相一致,可满足对地下岩层空间应力状态连续监测的要求。     

Simultaneous measurement of strain and temperature using a hybrid local and distributed optical fiber sensing system

Structure multi-parameters measurement, such as strain, displacement, corrosion and temperature, is of the utmost importance for structural health monitoring. Meanwhile uncoupling method of temperature and strain has still a technical problem in structure sensing measurement. In this paper, we proposed a method for simultaneous measurement of strain and temperature using a hybrid local and distributed optical fiber sensing system. The principle of the method is investigated and then validated by the theoretical simulation experiments and tensile tests in laboratory. Furthermore, one experiment for internal force measurement of a smart stranded wire, under the interaction of temperature and strain, is also conducted in lab. The experimental results show that the strain and temperature can be well measured simultaneously by using one multi-signal optical fiber sensor.     

光纤气压传感器特性分析

用双膜盒作气压的敏感元件,将光纤微位移传感器用于检测膜盒随压力变化引起的形变,避免了其他检测膜盒形变方法的缺点,使气压传感器的性能得到改善和优化;为了提高检测灵敏度、降低检测限,使用了双通道光纤传感器,构造了一个气压测量装置,并以标准空气压力计对这种光纤气压传感器的输出变化随气压变化的关系进行了标定,结果表明测量范围可以达到900-1200hpa,分辨率为0.2hpa,精度为±0.1hPa。改变光纤探头到膜盒反射面的初始间隔,实现气压测量区间位置的变化。进一步优化光纤探头的结构参数,可以拓宽大气压力的测量范围。     

30km分布光纤温度传感器的空间分辨率研究

分布光纤温度传感器是一种比较新型的传感器系统，它可以实时测量空间温度场的分布。空间分辨率是分布光纤温度传感器的一个重要参数。在30km分布光纤温度传感器系统的研制过程中，对系统的空间分辨率进行了优化设计。入射激光脉冲的宽度决定了系统空间分辨率的上限。光电接收系统和电系统的带宽也会影响系统的空间分辨率。电系统的带宽必须和激光脉冲的宽度相匹配。系统的空间分辨率既可以直接测量，也可以通过测量光纤末端菲涅尔反射的半宽度来间接测量。经过优化设计，在30km的系统中，空间分辨率达到了3m。     

光纤光栅空分光复用传感系统的研究

介绍了一种光纤光栅空分复用传感系统,并将光纤光栅的传感特性应用于结构健康检测系统中。宽带光源发出的光波进入光栅阵列时,利用光开关选通不同光路实现FBG空分复用传感系统。系统采用等腰三角形悬臂梁调谐装置对FBG进行挠度加载,利用非平衡M-Z干涉技术对传感信息进行解调,将包含被测应变信息的FBG波长信号转变成相位信号,从而得到被测应变的大小,成功地实现了空分复用传感。该系统可用于静态应变和动态应变的检测,具有高分辨力、大测量范围的特点,其传感分辨率为7.3 nε,灵敏度的实验值为0.82°/με。     

A distributed self-sensing FRP anchor rod with built-in optical fiber sensor

The difficulties induced from large-scale measurement and sensor installation make it a big challenge but an urgent need to predict the mechanical behavior of fiber reinforced polymer (FRP) anchor rod passing through the complicated areas under harsh environments. In an effort to solve this challenge, this paper proposes a novel distributed self-sensing FRP anchor rod with built-in optical fiber sensor. For the purpose of self-sensing, the technique of Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) is applied to the built-in optical sensor for measuring the full-scale strain of the rod. Demonstration tests taking into account the de-bonded damage were carried out to simulate the field cases. A self-sensing FRP anchor rod was embedded in a 12-m-long sand slot and pulled from one end. The full-scale strain was measured utilizing the BOTDA interrogator. Using this collected data, the integrity displacement of the rod was also investigated associated with its interfacial damage evolution.     

基于 BOTDR 散射谱的应变提取方法研究

针对布里渊后向散射原理的应变传感系统信号检测方法进行研究,目前该领域信号检测方法普遍存在计算量大,精度不高,耗时大等诸多问题,提出了一种自适应梯度下降算法(Adam算法)对布里渊散射信号进行拟合计算,同时搭建了外差相干检测的布里渊应变测量系统。实验结果表明,用Adam算法拟合散射谱曲线后解调的平均应变误差为24.89με,是高斯-牛顿算法拟合曲线最大应变误差的51.96%,是列文伯格-马夸尔特算法拟合曲线最大应变误差的57.42%;Adam算法拟合散射谱曲线的拟合度佳(0.998 9),均方根误差小(0.110 5)拟合测量的精密度高,而且信号处理时间仅为18.5 ms。研究结果对布里渊散射传感技术高精度数据特征提取提供了理论和实验依据。     

分布式光纤测温技术综述

光纤传感器以其独特的优点得到了人们的普遍关注,尤其分布式光纤传感技术在土木工程等大范围测量领域成为研究热点。通过对目前分布式光纤测温技术的系统论述,提出了分布式光纤测温技术的两个研究方向:基于光纤后向散射的光时域及频域反射技术的分布式光纤测温和基于光复用技术的光纤光栅分布式测温。通过对分布式光纤测温技术两个方向的工作原理、特点及性能的理论分析及仿真实验,综合论述和分析了分布式光纤测温技术两个方向的优点和缺陷,以及在具体工程中的实际应用。     

A review of previous studies on the applications of optical fiber sensors in geotechnical health monitoring

In recent decades, conventional electric instruments have already been widely used to monitor the performance of geotechnical structures. However, there are several inherent limitations of electric instruments for engineering including: electromagnetic interference, a large number of cables for multipoint measurement, signal loss in long distance transmission, and poor durability. Since the first Fiber Bragg Grating (FBG) sensor was fabricated in 1978, a significant progress has been made on the commercialization of optical fiber sensing technologies. In 1980s, a fully distributed sensing technology named Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) has been proposed and developed for measuring strain and temperature. In this paper, the authors review previous studies on the development and application of fiber optic sensors. Based on the measured strains, various analysis methods were transferred to required parameters such as displacement, force and pressure which can more directly reflect the safety of geotechnical structures under complex engineering stress condition.     

光纤Bragg光栅靶式流量传感器设计

基于工业流体流量测量技术、光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感检测技术与靶式流量计原理,针对单个光纤Bragg光栅传感系统对温度交叉敏感的问题,设计并且制作了一种基于双光纤Bragg光栅流量传感器。该传感器采用靶盘结构作为光纤Bragg光栅流量传感器的受力元件,对温度起到了补偿作用,并且有效地提高了应变测量灵敏度。实验表明,该流量传感器的线性误差为0.31%。     

光纤光栅压力传感器的研究进展与趋势

由于在灵敏度、绝缘性、抗腐蚀和分布式测量等方面具有优势,光纤光栅压力传感器在能源化工、航空航天和土木工程等领域中逐渐地受到人们关注,并成为研究热点。通过综述近年来迅速发展的光纤光栅压力传感器的研究进展,介绍了利用光纤布拉格光栅(FBG)轴向应变构建压力传感器的工作原理、结构和特点,并按照光纤光栅安装方式对此类压力传感器进行了分类,同时概述了光纤光栅横向压力传感的实验研究,并对光纤光栅压力传感器的发展趋势进行了述评。     

基于分布式光纤传感技术的结构变形估计方法研究

悬臂板是广泛应用于工程实践的常见结构形式,在航空航天、轨道交通、土木工程等领域均有重要应用,其变形监测问题一直是此类领域重要的研究内容之一。本文将矩形弹性悬臂薄板纯弯曲的一般问题作为研究对象,讨论求解该问题的方法,建立应变与位移的联系,并在线弹性小变形理论框架下,得到结构横向位移的有限差分表达式;采用具有高密度应变测量能力的分布式光纤传感器获取表达式所需的应变输入量,并提出了一种变形测量数据的误差修正策略;在金属悬臂梁弯曲试验中采用百分表进行对比,验证基于分布式光纤传感技术进行结构变形估计的技术可行性与测量的准确性。结果表明,结构变形估计值与百分表测量值的偏差最大为2.0 mm,占百分表示数的9.22%,分布式光纤传感技术可以实现结构变形估计,具有潜在的应用前景。     

Small diameter fiber Bragg gratings and applications

Small diameter optical fibers are preferred in sensing systems as they have less influence on mechanical performance of smart composite. The static and dynamic monitoring capabilities of the small-diameter fiber Bragg gratings (FBG) are experimentally studied in this paper. Firstly, a small-diameter FBG is used as a strain sensor. Secondly, a temperature sensor is fabricated using a specific FBG. Thirdly, a simple sensing system is proposed in order to discriminate temperature at sensing point. Finally, utilization of these small diameter FBGs for vibration monitoring is discussed. The experiments revealed that the central wavelengths of the small-diameter fiber Bragg gratings shift linearly with strain or temperature. The FBG is more sensitive than a thermocouple inside the thermostat. Acquisition and analysis of the dynamic signal indicates that the designed FBG can be used for dynamic signal monitoring.     

光纤传感技术在航空发动机温度测试中的应用

温度测试对于航空发动机设计与研制具有极其重要的意义。航空发动机的测温环境具有高温、高压、高速气流冲击、高转速、安装空间狭小等特点,还要求测温系统具有大量程、高精度和高稳定性的工作性能,可供选择的测温方法非常有限。光纤温度传感器具有体积小、抗电磁干扰、极端环境下的安全可靠和使用灵活等优点,并具有串联复用的准分布式传感能力,在航空发动机温度测试中有很好的应用前景。本文对比总结了基于光纤布拉格光栅、光纤法布里-珀罗、光纤超声和光纤辐射等几类典型的光纤温度传感器的传感原理、制造工艺和技术特点,分析了航空发动机研制中不同对象和场景的温度测试需求,对光纤温度传感技术在航发测温领域中的应用研究现状进行了分类整理和发展水平综述,对其在未来实际应用中存在的不足进行了分析,最后对其在未来研究及应用的发展方向进行了展望,为后续航发测温领域研究及应用提供参考。