基于两光斑旋转的光纤传感器的温度稳定性研究

为了研究基于两光斑旋转的光纤传感器对温度变化的灵敏性,设计了一种基于光斑旋转角度调制的新型光纤传感系统。在一根光纤上绕制2个光纤环,通过改变光纤环1的直径使光纤发生宏弯损耗获得2个光斑,将光纤环2置于水温控制箱中,观察温度的变化与出射光斑发生旋转的关系。为了更好地对比,还观察了温度变化与三光斑角度旋转的关系。通过对光纤宏弯损耗及光纤环耦合原理的分析,利用MATLAB对实验数据进行处理,得出了两光斑光纤传感器具有温度稳定性的结论。     

基于输出光斑旋转的光纤微弯位移传感器

为研究光纤微弯位移传感器,在单模光纤传输系统中设计了一个光纤圈和光纤微弯传感器。通过改变光纤圈的直径,以获得两个光斑,通过移动光纤微弯传感器,记录输出光斑旋转情况,并分析了传感器的移动位移和输出光斑的旋转角度之间的关系。实验表明,光斑转移角度与传感器位移在一定范围内存在良好的线性响应关系,因此可通过检测光斑图像的旋转来实现位移量的测量。     

基于光斑旋转的光纤温度传感器

设计了一种基于光斑旋转的新型光纤温度传感器,采用在一根光纤上绕制2个光纤环的方法,通过对一个光纤环直径的调节使其发生宏弯损耗,以获得合适出射光斑数;对另一个光纤环置于水温控制箱中,观察温度的变化与出射光斑发生旋转的关系。利用MATLAB对实验数据进行处理,获知光斑角度与控制箱温度存在很好的线性关系,同时实验分析了光纤环的直径、光纤环的紧绕圈数对传感器灵敏度的影响。     

基于光纤环输出光斑旋转的位移传感器图像处理方法

光纤传感器以其耐水、耐高温、抗电磁干扰等优势备受青睐,通过介绍基于光纤环输出光斑旋转的位移传感器的原理与实验现象,提出了一种基于质心计算的图像处理方法,该方法能更加精确地测量光斑旋转角度。该方法通过以旋转轴为中心,对每一个光斑分别跟踪求取质心坐标,得到每个光斑对应的角度,并计算角度旋转变化的值,从而得出该位移传感器随位移线性变化的关系。实验结果表明,该方法更加准确且有效。     

基于螺旋式光纤环输出光斑旋转的温度传感器

采用将传感光纤绕制在螺旋型调制器上的方法,设计了一种基于光斑旋转角度调制的新型光纤温度传感器。根据螺旋型调制器所处环境温度的变化会使传感光纤产生双折射效应,从而使出射光斑发生旋转变化的原理,通过CCD获得不同温度下的出射光斑图像的变化情况以及利用MATLAB对所得数据进行处理,可以探测出温度变化与出射光斑旋转角度的关系,达到对温度间接测量的目的。实验证明,光斑旋转角度与温度变化在一定范围内有很好的线性关系,而且该传感系统灵敏度也比较高。     

光纤传感测量系统在超导转子旋转装置中的应用

介绍了超导转子旋转驱动原理以及应用在超导转子旋转装置中的一种光纤传感测量系统。光纤传感测量系统包括微位移光纤传感器、转速光纤传感器、电机控制光纤传感器和信号读取图形,该系统能够进行转子悬浮微位移和旋转速度的测量并提供转子旋转所需的控制信号。在4.2K低温下进行了转子悬浮旋转实验,超导球形转子悬浮微位移测量分辨率为10μm,转子转速达到了1013rpm。实验结果为进一步应用光纤传感测量系统精确监控超导转子工作姿态提供了参考。     

测量纵向位移的光纤位移传感器

提出了一种测量纵向位移的光纤位移传感器的方法。列出了3种可行性结构方案：双棱镜单光纤位移传感器、单棱镜单光纤位移传感器、双棱镜双光纤位移传感器，并对各自进行了理论推导以及系统仿真，得到了比较满意的结果。其中双棱镜双光纤位移传感器的性能最佳，在自聚焦透镜的半径为1mm的前提下，检测纵向位移的范围可以达到4mm，这为将来的实际应用提供了有效的参考。     

LAMOST光纤定位单元检测装置

介绍LAMOST光纤定位单元定位精度检测装置的工作原理及结构。该装置利用“光重心法”检测光纤端部出射光斑的特征点以获得定位单元上光纤端部的位置 ,采用光栅和线阵CCD传感器实现二维图象扫描检测。     

大光斑离轴式光纤旋转连接器的耦合性能

针对直接对准型离轴式光纤旋转连接器中自聚焦透镜准直器出射光斑小、光纤耦合损耗大和有效对准时间短的问题,本文提出了一种由双合透镜和热扩芯光纤构成的大光斑光纤准直器。基于出射光斑在相对旋转过程中重叠面积的周期性变化规律,分析了准直器间存在径向误差和角向误差时的耦合损耗变化。根据转子圆环和出射光斑尺寸得到耦合损耗为3 dB时的理论有效对准时间。为此搭建了光纤耦合实验平台测试其耦合性能及有效对准时间。实验结果表明,光纤准直器采用的单模光纤模场直径越大耦合损耗越低,其中模场直径为28μm时耦合损耗低至0.22 dB。在转速为60 r/min时,通过光电转化和函数拟合得到四种模场直径光纤准直器的有效对准时间。模场直径为17μm时最大有效对准时间为7.05 ms,与理论值7.1672 ms基本一致。最后应用光纤布拉格光栅传感实现无接触式传输光信号。这种设计为大光斑离轴式光纤旋转连接器的研究及其在光纤传感领域的应用提供了理论和技术支撑。     

LAMOST高精度光纤定位单元关键技术研究

基于LAMOST并行可控式光纤定位系统,介绍了双回转光纤定位单元实现高精度定位的关键技术.定位单元采用了基于计算机数据端口的开环控制系统,设置机械零位辅以电子开关构成单元回转的基准零位以减小多次重定位的累积误差,采用弹簧消隙机构消除齿侧间隙提高系统定位的稳定性.单元采用面阵CCD传感器检测单元定位精度,通过检测光纤端部出射光斑的特征点以表征定位单元上光纤端部位置.实验表明本定位单元能够实现光纤的快速、高精度定位,定位精度达到40μm.     

少模光纤倾斜光栅制备及扭转传感研究

设计了一种基于少模光纤倾斜布拉格光栅的反射型扭转传感器,小角度倾斜光栅中的纤芯基模与二阶模在光栅处发生互耦,通过测量该过程形成的反射峰强度变化实现扭转测量。分析了光栅倾斜角度对模式耦合效率的影响,采用相位掩模板法在线刻写光栅技术,在少模光纤上刻写了不同的小角度倾斜光栅;在此基础上选择倾斜角度为1°的光栅进行了单点、双点扭转传感实验,实验表明其反射光谱中基模与二阶模的互耦合峰(LP₀₁-LP₁₁)对光纤扭转敏感,可以实现对扭转角度大小的测量。在-50°～-150°逆时针扭转过程中,扭转灵敏度为0.52 dB/(rad·m^-1),而在40°～190°顺时针扭转的角度范围内,扭转灵敏度为0.34 dB/(rad·m^-1)。这种传感器具有在单根光纤上实现多点扭转传感的潜力,在多点扭转监测方面具有应用前景。     

Experimental study on pullout performance of sensing optical fibers in compacted sand

The distributed optical fiber sensing systems have played an increasingly important role in monitoring civil infrastructures over the past few years. One of the main challenges of their applications to geotechnical monitoring is to increase the reliability of strain sensing optical fibers in measuring the deformation of surrounding soil masses. In this paper, a pullout test method is proposed to characterize the deformation compatibility between an optical fiber and soil. A series of pullout tests on three types of sand-embedded optical fibers are conducted to investigate the performance of the fiber–sand interface. Based on the test results, an explicit tri-linear pullout force–displacement relationship is proposed to describe the mechanical behavior of the fiber–sand interface. The performance of the three fibers regarding fiber–sand interaction mechanism is evaluated in terms of ratio of effective pullout displacement to diameter, ratio of residual pullout displacement to diameter, peak shear strength and residual shear strength. All four parameters of the three fibers are found to have approximately linear relationships with the applied confining pressure, which reveals that the deformation compatibility of the fiber–sand interface is utterly dependent on the confining pressure. For all the three fibers, the first shear stiffness coefficient is about 8 N/mm and the ratio of residual to peak shear strength is about 0.5. Furthermore, the Mohr–Coulomb failure criterion is used to get the cohesions and friction angles of the three fiber–sand interfaces. Through a comparison of the pullout performance, one out of three types of fibers tested is found to be more preferable for soil deformation measurement in laboratory-scale tests. The conclusions can provide valuable references for predicting the fiber–soil interface behavior and evaluating the reliability of strain monitoring data.     

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。     

基于光纤自编织的分布式管道形变传感器

本文介绍一种分布式光纤管道形变传感器,仅用一根光纤通过自编织形成微弯,完成对形变的传感功能,并采用OTDR技术实现分布式检测。经理论分析和数值模拟表明,它可实时地监测管道形变,具有很大的应用价值。     

一种倾角及温度同时测量的光纤传感器

叙述了一种用于倾斜角及温度同时测量的传感器。该传感器由光纤锥和光纤布拉格光栅构成,当传感器倾角发生改变时引起光纤锥的通光损耗改变,通过测量通光损耗的变化而测量倾角,通过测量光纤光栅的反射波长的变化而实现温度测量,此外光纤布拉格光栅还有提高倾角测量灵敏度的作用。     

临近空间飞艇蒙皮三维形变多芯光纤重构技术

为解决临近空间飞艇气囊形态实时监测问题,提出了基于温度自解耦多芯光纤传感器的气囊蒙皮三维形变重构方法。根据飞艇气囊三维形态特征,设计了多芯光纤传感器布局和布设方式。将多芯光纤传感结构与Frenet-Serret方程相结合,建立了具备温度自解耦功能的蒙皮三维形变重构算法。以飞艇气囊柔性复合蒙皮为试验对象,设计并集成建立了蒙皮三维形变多芯光纤重构试验系统。试验分析了温度变化环境下多芯光纤传感器三维形变重构精度以及不同弯曲度下蒙皮三维形变型面重构精度,验证了所提方法的有效性。研究结果表明：利用多芯光纤传感器和温度自解耦方法能够在大变温环境下准确重构气囊蒙皮形变,蒙皮三维型面重构误差平均值小于1.5%,所提方法在临近空间飞艇气囊形态实时监测领域具有应用前景。     

一种基于光纤光栅新型位移传感器的研究

介绍了一种应用光纤光栅传感器测量狭窄曲面空间位移的方法.随着外界应力的变化,光纤光栅传感器的中心发射波长将发生相应的移动.利用此特性,提出并实现了一种用光纤光栅作为敏感元件测量狭窄曲面空间位移的方法,解决了特殊场合狭窄曲面空间位移的测量存在许多难以解决的问题,并对实验结果进行数据分析.