基于反射式塑料光纤传感器的微位移测量技术研究

近年来,高精度的位移测量精度要求越来越高,为响应这一需求,本文依据待测位移量可由反射光强变化得出的原理设计了一种基于塑料光纤的位移传感器.本文所涉及的光纤位移传感器以静态拉伸式杨氏模量测量实验中钢丝长度的微小变化为待测量进行设计.在整个传感器系统制作完成后,结果显示,在0~3mm的位移范围内,测量输出与实际位移成线性关系且线性度为0.6%,在较大位移区间内实现了具有良好线性度的测量,同时,根据实验结果测得灵敏度为2.13mV/μm,保证了测量的精准度.这种设计方法的使用扩大了塑料光纤的应用领域,同时,优化了传感器的精准度和线性化精度等性能指标.     

光纤接收光强的计算及其应用

本文基于新导出的光纤出射光强的分布公式，给出了光纤接收光强的计算方法。该方法具有一定的通用性，可用于外部调制强度型光纤传感器调制机理分析及新型光纤传感器的设计。作为该计算方法的应用和验证，给出了反射型光纤位移传感器调制特性函数的解析表达式，其计算结果与实验相符。     

微型反射式横向位移光纤传感器研究

提出了一种测量横向位移的微型反射式光纤传感器，可用于测量物体相对传感器轴线垂直方向的微位移变化量。从光纤出射光场的光强分布函数出发，用数值积分的方法求解出了反射式横向位移传感器的光强调制曲线，进而设计了光纤传感探头和电路。结果表明，传感器的测量线性范围是1mm，分辨率达lμm。     

基于传感器的精密光学位移测量预测研究

考虑到当前的精密光学位移测量预测因其动态预测能力较差,导致位移测量预测结果误差较大的问题,设计基于传感器的精密光学位移测量预测方法。选择合适的传感器,设定测距获取光学测量原始数据。对采集到的数据进行整理与分析,获取待测目标位移特征参数。使用支持向量机理论结合位移特征参数,构建位移测量预测模型。计算预测模型损失函数,控制预测误差。通过数据采集传感器获取振动系统的位移,将其作为实验对比过程中的对照位移值。经实验结果证实,采用本方法的位移精度高达52%,而位移耗时高达3%,在不同的测距与振幅条件下,此方法的预测误差小于当前方法预测误差,且预测结果与实测结果较为一致。     

利用电致发光线的光学电压有效值传感器

利用电致发光(EL)线设计并实验研究了一种光学电压有效值传感器。所用EL线的主要材料为ZnS:Cu,在一定幅值的工频电压作用下,可产生中心波长约为525nm的可见光;将此EL用塑料光纤(POF)传输到光电探测器(PD),则PD的开路电压与被测电压有效值之间具有近似线性关系。对100～500V工频电压有效值进行了实验测量,其电压测量灵敏度约为10.8μV/V,非线性误差低于1.8%。实验测量了所用EL线的电致发光光谱、输入阻抗以及EL的温度特性。与以往基于Pockels电光效应的光学电压传感器不同的是,本文提出的电压传感器不需要工作光源,并具有结构简单、成本低等优点。     

一种用于真空度测量的光纤传感器

介绍了一种用于测量真空度的光纤传感器,该传感器利用参考腔室中金属薄膜随系统真空度变化而产生线性形变的原理,采用一对450μm芯径的光学光纤分别做发射与接收光纤,通过测量基于光纤和金属薄膜的相对位移对反射光强信号的调制量,来确定真空度的变化。给出了该传感器探头的结构设计,并通过实验确定了光纤的最佳排列方式及初始位置。实验表明,在一定条件下该传感器所测得的反射光强信号和真空度的变化呈线性关系,并且具有良好的重复性。     

一种新型温度自补偿的低成本位移传感解调系统

提出一种采用啁啾光纤光栅测定位移的方法.悬臂梁受到应力时引起刚件粘接在悬臂梁上的啁啾光栅反射谱带宽压缩,带宽变化引起光栅反射光强变化,通过测量啁啾光栅反射光强可测定位移.该传感器具有温度自补偿功能,温度变化引起反射谱波长移动但总光强不变.实验结果表明该传感器测量灵敏度达K=1 168/mm.     

一种新型光纤加速度传感器的研究

基于光强调制原理以及耦合效率与纵向偏移距离 的关系,设计出了一种新型的光纤加速度传感器,突破传统 加速度传感器检测技术要求,实现高精度、高灵敏度以及具有快速响应能力。在发射光纤发 射光功率不变的情况下, 接收光纤的位置随系统振动而上下微动,从而导致接收的光功率发生变化。实验得到了在接 收光纤位移量由0～40μm变 化范围内接收光功率的变化规律和光功率随位移变化的拟合曲线。当接收光纤位移量为0时 ,两根接收光纤接收到的光功率大小相等;当位移量达到40μm 时,两根接收光纤的光功率差达到最大,模场分布差别最明显。实验研究了光 纤加速度传感系统的频率响应特性,得到了光纤加速度传感器频率响应特性曲线。在同一 实验平台上,通过与标准加速度计的测量数据对比,验证了本文光纤加速度传感器测量性能 的有效性和可靠性。     

光纤位移传感技术的建筑物结构参数测量研究

针对常规方法采集建筑物结构传感信号时,接收的反射信号相位差不明显,导致建筑物结构距离位移、角度位移测量精度较差的问题,设计基于光纤位移传感系统的建筑物结构参数测量方法。将系统的光纤位移传感器,放置在建筑物结构固定端和相对变化端,采集传感区域光纤信号。设置系统调制信号最优频率,保证反射信号相位差变化明显。根据解调的光纤信号相位差,测量建筑物结构内部光纤应变,得到结构参数位移变化量。设置对比实验,分别监测建筑物结构沉降、滑动、倾斜,结果表明,设计方法相比常规方法,降低了距离位移和角度位移测量值误差,提高了测量值与实际位移量的相关性和线性度,充分保证了建筑物结构参数测量精度。     

一种新型光纤光栅F-P电流传感器系统

基于磁致伸缩效应和F-P干涉原理,对传统内腔式光纤F-P传感器进行了改进,通过在一根单模光纤上制作两个参数完全相同的光纤布拉格光栅(FBG),作为F-P腔的两个反射面,设计出一种新型光纤电流传感器.与传统的基于F-P干涉仪原理的光纤传感器相比,该传感器不再将光强作为直接测量值,而是通过测量光强变化频率(数字量)实现对电流强度的测量,避免了直接测量模拟信号带来的较大误差,使传感器具有较强的抗干扰能力和稳定性.首先分析了该传感器的工作原理,然后给出了传感器系统的设计方案,最后用实验进行了验证,当交流电流在0～3 A变化时,实验数据与理论计算的结果相当吻合.     

双圈同轴型光纤传感器结构的优化与试验验证

为了验证用于测量物体表面形貌的双圈同轴型光纤传感器的数学模型的可行性、优化新结构光纤传感器中的参量以提高光纤传感器线性测量范围和灵敏度，采用了不影响调制特性曲线前坡数据的镜子纸作为反射面进行试验验证，并对新结构的光纤传感器进行了理论分析和数学建模，然后采用粒子群算法对新结构中的倾斜角度进行了优化。结果表明，以镜子纸为反射面所得的试验曲线与仿真调制特性曲线吻合，证明了用于测量物体表面形貌的双圈同轴型光纤传感器的数学模型的可行性；经粒子群算法优化后的倾斜角度为2.33°，此时前坡线性测量区间和灵敏度分别是倾斜角为零时的1.14倍和1.89倍。新结构的双圈同轴型光纤传感器展现出了良好的测量性能和应用前景。     

基于激光测量的高速非接触角度检测技术研究

提出了一种基于光学三角法测距原理的高速非接触光学角度测量方法,利用两个激光位移传感器测量物体具有角度变化时产生的位移,实时计算得到物体一维运动角度,在摇摆台上进行角度范围及精度的实验,并使用光纤陀螺进行角度实时同步测量,通过最小二乘拟合法对误差进行补偿。实验结果表明,该系统的角度测量范围±10°,角度测量精度±0.005°,测量频率2000 Hz。该角度测量技术使用非接触光学测量方法,对被测物体表面无损伤。     

双折射波导偏振耦合的短相干干涉测量

保偏光纤内部具有的高双折射,使其在内部传播的主模和耦合模之间存在一定的光程差。研究了高双折射波导中连续偏振耦合分布和分立点耦合的白光干涉测量法,推导出一种简明使用的公式,求出双折射波导的保偏参数,并且根据调制解调相关原理精确测量耦合点的强度和位置。实验测量了国产类矩形保偏光纤以及光纤偏振器。该方法最突出的优点是采用非破坏性方法测出保偏波导的每个局部的保偏参数,可用于检测集成波导器件和保偏光纤的质量、双折射波导之间的主轴对准、分布式光纤应变传感器等领域,并且可作为保偏光纤生产和使用的一种有效检测方法,大大提高集成波导器件及相关传感器的性能。     

新型反射式光纤位移传感系统的研制

普通反射式光纤位移传感器的测量范围小，若用单片机对不同类型光纤位移传感器的输出信号进行处理，可研制一种新型光纤位移传感系统，使测量范围得以扩大。     

工业用火灾预警光纤传感器及其传感特性

火灾给人们的生产与生活带来极大的威胁,但现有的火灾传感器在安装空间、测量范围和适用环境等方面存在着局限性,因此需要研制新型火灾传感器。设计并实现了一种不锈钢毛细管可靠封装的工业用火灾预警光纤传感器,通过对光纤光栅进行高温再生处理,大幅提高了传统光纤光栅传感器的耐高温性能。对制备的传感器进行了实验,结果表明:该种传感器测量温度可达1000℃、线性度为0.99951,在1000℃下90%信号的响应时间不到3 s,适合于火灾预警。     

高精度梁式光纤多普勒压力测量技术的研究

为实现在恶劣环境下对微小压力变化量的测量,提出了一种基于外差多普勒原理的高精度梁式光纤压力测量系统。通过分析光纤压力测量系统中压力变化量、悬臂梁的形变量、多普勒频移、输出电压四者的关系,建立数学模型。采用差动多普勒测量原理,快速、准确地测量出悬臂梁的形变量,实现对纳米级微小位移的测量。将反射镜位置由悬臂梁中段移至其自由端位置,提高了测量的灵敏度。用光纤准直器代替传统传导光纤,光束的平行度更高,发散角度更小,提高了测量的精度。选用取样积分对有效信号进行提取,结合软件,实现从强噪声信号中提取微弱信号,改善了系统信噪比。实验结果表明,本文提出的光纤压力测量系统的不确定度可达到0.05%,可以实现对缓慢变化的微小压力值的测量,适用于石油、化工等领域。     

激光三角位移计接收光功率与被测表面倾斜的关系及倾斜角测量

以激光在粗糙物体表面的散射理论为基础．详细讨论了被测表面倾斜与激光三角位移计接收光功率的关系，在此基础上提出了在测位移的同时测量该倾斜角的方法．给出了计算机模拟及实测的结果。     

大量程高精度的新型弱光栅位移传感器研究

研发高精度、高灵敏度、大量程的传感器对于边坡、隧道、桥梁等工程结构的健康监测具有重要意义。该文基于杠杆原理,将弱光栅粘贴于基片上,并串联弹簧,形成上部传感单元,通过多种结构形式的比选,发现X型带上外拐加直立段为最优主体结构。基于上述传感结构,设计了一种构造简单、传力稳定,且具有大量程、高精度、高灵敏度的新型弱光栅位移传感器。从理论上推导了测量位移与弱光栅中心波长变化值的关系,并进行了标定试验和模型试验。结果分析表明,基于该结构的位移传感器可实现的测量范围为0～160 mm,灵敏度为24.4 pm/mm,且位移放大倍数可依据需要调整,由此展示了该传感器在结构大变形监测中的良好性能和广阔应用前景。     

光纤位移传感器在PET瓶胚壁厚测量中的应用研究

为了实现对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶胚壁厚实时、高效、高精度的测量,采用理论仿真结合实验验证的方法,以标称3.5mm厚型的PET瓶胚为例给出设计实例,建立了PET瓶胚壁厚测量的光学模型,根据光线追迹原理分析验证反射式光纤位移传感器在测量PET瓶胚壁厚中应用的可行性,并利用LIGHTTOOLS软件进行仿真模拟,最终设计出一种基于反射式光纤位移传感器对PET瓶胚壁厚实时测量的装置,并进行了实验验证。结果表明,实验装置的测量量程为3.20mm~3.80mm,线性度为15.8%,灵敏度为0.8448mV/μm,该装置相比传统测量效率提高了30%以上。这对提高实际检测效率和精度具有参考应用价值。