新型光纤光栅传感器的设计

论述了光纤光栅传感器的传感机理.从单参数、双参数及多参数传感的角度,深入研究了光纤光栅传感器的设计方法.探讨了光纤光栅敏化与封装技术.举实例阐述了新型光纤光栅传感器的设计方法及实现途径.     

基于差压原理的矿用光纤光栅风速传感器

设计了一种新型的矿用光纤光栅风速传感器,利用差压原理实现风速转化,由波纹管、等强度悬臂梁和双光纤光栅组成差分敏感机构,并通过算法进一步进行温度补偿,有效克服了温度交叉敏感问题,提高了应变测量的灵敏度。文中推导了光纤光栅中心波长变化量与风速的关系,同时对敏感机构进行了水压模拟试验,得到传感器敏感机构的灵敏度为0.703 pm/Pa,与理论值具有很好的吻合度;对风速传感器样机进行风洞试验测试,结果表明风速在0.2~20 m/s的情况下,传感器测量误差可基本控制在0.3 m/s以内,并具有良好的线性关系。     

多点光纤光栅测温系统在渗流监测中的应用研究

为了监测土石坝内的渗流水的情况,提出一种多点光纤Bragg 光栅传感器(FBG)的结构,采用InGaAs光电探测器阵列探测光强的光纤光栅传感阵列的波长解调方法。根据室内实验结果,对多点光纤光栅传感系统的可行性和监测数据的可靠性进行分析, 给出用于坝体温度场监测的光纤光栅传感器波长温度响应灵敏度可达到0.0091nm/℃。工程中采用电热脉冲方式对传感器附近小范围的土壤进行加热,使其与水的温度形成一定的温差,实测结果表明可以利用光纤光栅传感器监测温度异常的方法判断是否发生渗流, 从而实现对坝体内集中渗漏点的定位和自动监测。在系统防雷击、抗干扰性方面, 采用光纤光栅传感监测系统与传统仪器相比具有明显优势。     

基于分布式光栅传感网络的矿井坍塌监测研究

针对矿井坍塌事故的发生设计了一种用于对矿井进行监测的分布式光纤光栅传感器。首先利用ANSYS软件对矿井模型进行有限元分析,找出矿井中的不稳定点进行实时监测。将经过特殊设计的光纤光栅位移传感器安装在矿井中的不稳定点处,当矿井中的不稳定点发生异常时就会表现为反射回来的光纤光栅的中心波长发生偏移,根据反射光中心波长的偏移量与矿井不稳定点的位移成明显的线性关系的特点,可以计算出不稳定点的位移值,进而了解矿井的安全状况。实验结果表明光纤光栅传感器的测量精度可达±0.01%。     

低碳钢薄板TIG焊热影响区温度光纤光栅测量

为了对焊接热影响区温度和应变的实时测量及控制,以光纤光栅作为传感器对低碳钢薄板的TIG焊热影响区进行了温度场网络测量.采用金属化保护的方法对裸光栅进行了保护和温度增敏;测量并标定了金属化光纤光栅的温度特性;采用光纤光栅和传统的热电偶进行了单点测温,并进行了对比分析;对经历了焊接热影响区高温的光纤光栅进行了温度特性分析.进行了多点温度的网络测量;分析了光纤光栅测量焊接温度和变形存在的问题;提出并设计了一种基于光纤Bragg光栅的焊接应变、温度同时测量的方法和多点测量系统.     

光纤传感器现状研究

回顾了光纤传感器的现状。光纤传感器具有抗电磁干扰、重量轻、尺寸小、灵敏度高、带宽宽以及易于实现多路或分布式传感等优点。应变、温度和压力是研究最广泛的被测对象，光终光栅传感器是研究最广泛的光纤传感器技术。光纤陀螺仪和光纤电流传感器是光纤传感器技术相当成熟和商用的良好示例。讨论了不同的光纤传感器技术，尤其是光纤光栅传感器、光纤陀螺仪和光纤电流传感器技术，重点讨论了原理和现状。目前，光纤传感器通信己取得一些成功，但在不同的领域．它们仍需与其它成熟的传感器技术竞争。人们正在不断开发和试验新的设计，不仅是传统的被测对象，还有新的应用。     

应用于特殊环境的光纤光栅温度压力传感器

目前,光纤光栅温度压力传感器在航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域的应用非常广泛。由于其可以实现对温度、应变等物理量的直接测量,因此针对光纤光栅温度压力传感器的开发更多的集中于在特殊环境下的应用研究。本文以高温高压油井的特殊环境为例,对光纤光栅温度压力传感器进行了温度补偿式光纤光栅温度压力双参量传感系统的设计,并结合环境的特点进行了传感器相关器件的选择和调整。通过实验测试明确了该设计提高了光纤光栅温度压力传感器的适应性,完全能满足在特殊环境下的工作需求。     

弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器的研究

为了研究弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器谐振波长漂移量与光栅弯曲形变的关系,采用耦合模理论和计算机模拟方法进行了理论计算和仿真研究,推导出弯曲光子晶体光纤长周期光栅谐振波长表达式,设计了一般弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器系统模型,分析了弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器的基本工作原理,并计算了长周期光子晶体光纤光栅弯曲曲率、光栅有效折射率和谐振波长与弯曲应变的关系。结果表明,随着光栅弯曲形变的增加,光栅的曲率会增加,光栅传感器的谐振波长漂移量会增加,光栅每发生1变化,光栅谐振波长的漂移量变化0.014nm。     

光纤光栅埋入后温度、应变解耦分析

光纤光栅传感器在现实应用中的一个主要问题是温度和应变的交叉敏感问题.介绍了光纤双光栅同步测量温度和应变的原理,设计了一个光纤双光栅温度、应变测量系统,对光纤双光栅的温度和应变传感性能进行了实验研究,结果表明光纤双光栅具有多参量同时测量的能力.     

啁啾布喇格光栅F-P传感器的优化设计

根据实际需要优化设计了一种基于啁啾布喇格光栅的本征型光纤法珀(F-P)传感器。对构成光纤F-P传感器的啁啾布喇格光栅的参数进行了优化设计,得到优化设计的光纤F-P传感器反射谱。实际制作了按照参数设计的啁啾布喇格光栅F-P传感器并进行了应变实验,实验结果表明,该方法设计的传感器应变测量精度高达±8με。     

高分辨率变焦式连续波测风激光雷达设计与实验

为实现近场风场的非接触式高分辨、高精度测量, 弥补脉冲相干测风激光雷达在近场风场测量存在盲区的缺 陷, 选用对人眼安全的 1550 nm 工作波长的高功率连续波光纤激光器作为光源, 基于激光多普勒相干测风原理, 通过 改变连续波激光聚焦位置实现风场不同位置的风速探测。为提高系统的信噪比 (SNR), 优化选取了当前系统本振光功 率参数; 并通过优化设计 “有效频谱质心” 算法, 对连续波测量体积内存在多个速度分量数据进行处理, 从而提高数据 反演精度。使用该激光雷达系统与超声波风速计进行对比实验, 风速数据相关性为 0.98, 标准差为 0.16 m·s−1。在此基 础上, 利用该激光雷达系统进行长期风速观测实验, 选取不同天气气溶胶含量差别较大的多组数据进行分析, 同时对 近地面及近建筑物风场内风速的变化进行了探究。局地风速观测实验结果表明, 该激光雷达系统的风速测量区间为 0.3∼18 m·s−1, 风场测量位置 2∼30 m, 能够实现风场风速梯度的连续测量。     

相干激光测风雷达风场测量技术

研发了一套全光纤化相干多普勒激光测风雷达设备,并已作为试验样机应用于XXX工程中。该激光测风雷达工作于人眼安全波段,系统结构设计紧凑,性能可靠,可实现远距离风速测量。首先对相干激光测风雷达风速测量精度进行了理论分析,然后采用放置于103 m高塔上的超声风向风速仪和探空气球作为雷达指标的测试工具,对激光雷达进行外场试验,验证设备的性能。经过试验结果分析,风速数据相关性达95%以上,标准差优于0.8 m/s,风向数据相关性达98.6%以上,标准差优于5。与国外相关激光测风雷达测量精度相当,表明激光测风雷达具有优良的性能,将成为广泛应用的风场测量工具之一。     

基于Mach-Zehnder干涉仪条纹成像技术的多普勒测风激光雷达鉴频系统研究及仿真

多普勒激光雷达在大气风场探测中已经得到广泛应用。相比于Fabry-Perot（F-P）干涉仪、Fizeau干涉仪,Mach-Zehnder（M-Z）干涉仪作为鉴频器具有透过率高、探测谱的范围宽、能进行视场展宽而获得大光通量、所成直条纹可以与CCD匹配等优点,同时也可以实现大的风速探测范围,弥补现有直接探测多普勒测风激光雷达探测范围较小,探测灵敏度的非线性的问题。分析了基于M-Z干涉仪条纹成像技术的激光雷达大气风场探测原理,对干涉仪鉴频系统进行了参数优化设计及仿真分析,通过设定实验参数,获得仿真结果,进行数据反演,得到风速值与理论结果基本一致。     

瑞利测风激光雷达接收机校准

介绍了直接探测瑞利测风激光雷达工作及风速反演的原理,说明了激光雷达接收机的内部结构及工作情况。为修正雷达接收机中分光片分束比、单光子计数器探测率等参数与设计值的偏差所导致的风速测量误差,提出了随光强变化比较两信号通道的计数值的接收机校准方案。实验测得了校准系数随信号通道信号强度的变化关系。在弱光下该系统两信号通道性能差异小于25%。在当前系统的标准具透过率条件和对称的风场扫描合成方式下,接收机校准只对系统透过率曲线和径向风速的测量有较大影响,对合成风场没有影响。     

基于双光纤布拉格光栅的流速传感器

设计了一种基于双光纤布拉格光栅的新型流速传感器,它包括双光纤光栅压强传感机构和文丘里管.导出了双光纤布拉格光栅的波长漂移差与流速的关系.压强传感机构中的密闭铝箔管横截面两边的压力差导致等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布拉格光栅的布拉格波长漂移.通过检测两个布拉格光栅的波长漂移差,得到被测流体的流速.双光纤布拉格光栅通过补偿温度效应,解决了光纤布拉格光栅传感器的交叉敏感问题.该流速传感器的动态测量范围为8～200mm/s.实验表明,双光纤布拉格光栅的中心波长随流速的增加分别向长波和短波方向漂移,而带宽几乎不变,实验和理论符合得较好,该设计方案是切实可行的.

Abstract：

By using the fiber grating pressure sensing setup and Venturi tube,a novel flow velocity sensor based on double fiber Bragg gratings (FBGs) is proposed.The relationship between the flow velocity and the wavelength shift difference is derived.The pressure difference of the two sides of the cross section of the aluminum foil tube in the pressure sensing setup results in the distortion of an isosceles triangle cantilever structure.And the distortion results in the Bragg wavelength shift of the FBGs mounted at either side of the cantilever.By monitoring the wavelength shift difference of the two FBGs,the flow velocity can be obtained.The cross sensitive problem can be solved by compensating the temperature effect.Experimental results are in good agreement with theoretical analysis.The central wavelength of two FBGs shifts to the shorter and longer wavelength respectively with the rise of the flow velocity,while the bandwidth is almost unchanged.The experimental results verify the feasibility of the proposed sensor with a measurement range of 8~200 mm/s.     

风场扰动的相干激光探测建模仿真研究

为了实时掌握机场上空的风场及扰动情况信息, 保障航空飞行安全,提出一种运用相干激光探 测风场扰动的方法。在解算背景风场矢量速度模型的基础之上,建立解算风场扰动矢 量速度的模型。 基于相干激光回波信号的径向速度仿真,为解算风场扰动矢量速度提供可靠有效的径向风速 数据。在噪声 干扰情况下,采用阻尼最小二乘算法解算风场扰动矢量速度,并对比分析在不同扫描方 位角间隔下解算 得到的风场扰动矢量速度。仿真结果表明,扫描方位角间隔越小解算结果误差越小,当扫 描方位间隔小 于60°时,风场速度扰动量均方误差(MSE)小于1m/s,水平方向扰动量小于4°。     

Study on optical fiber multi-parameter sensor

Based on the principle of fiber Bragg grating detection,an optical fiber sensor for detecting wind speed and temperature and humidity in underground space was designed.The designed optical fiber wind speed sensor was based on the thermal flow detection method,which has high sensitivity to low wind speed.For the speed rising from 0 to 0.5 m/s,the wavelength variation is about 800 pm.For the demodulator with sensitivity of 1 pm,the speed resolution is 0.7 mm/s.Fiber optic humidity sensor was fabricated by uniform surface coating of FBG element in polyimide solution,and detection sensitivity of 4.2 pm/% RH was achieved with accuracy less than ± 3% RH.     

仿生毛发气流传感器在流场中的传感特性研究

模仿昆虫感受器的结构,设计制备了一种仿生毛发气流传感器——表面对称电极含金属芯聚偏氟乙烯(PVDF)纤维（SMPF）传感器。基于流体力学理论和第一类压电方程建立了SMPF的气流传感模型。搭建了实验系统,验证了SMPF对于气流速度的传感能力。实验结果表明,SMPF的输出信号和气流速度的平方成线性关系,验证了理论模型,表明SMPF具有感知气流速度的能力。将纤维呈阵列排布置于风洞流场中,用气流对纤维阵列进行冲击,搭建实验系统,验证了纤维在流场中的传感特性,并进行有限元仿真分析。实验结果表明,在风洞装置中,当有气流流过时,会产生流动边界层,且沿着气流速度方向边界层厚度越来越厚,同一截面上的气流速度差也越来越大。实验结果验证了理论模型,表明SMPF具有感知流场分布的能力。     

利用全相关分析方法确定大气风场

近年来，雷达在风场探测领域起了越来越重要的作用，与传统的放气球的测风方法相比，它具有方便、经济、实时性好、可以连续观测等优点。本文讨论了分布天线机制测风雷达的全相关分析方法的原理，并用C语言编写了全相关分析方法的程序，得到了大气水平风场，与武汉中频雷达原装软件的分析数据进行了比对，结果比较吻合。     

利用Fabry-Perot标准具的米散射测风激光雷达接收机

介绍了基于米散射多普勒测风激光雷达的基本原理。测风激光雷达系统一般由发射系统、接收系统、信号发射接收光学系统、控制系统组成,其中接收系统在整个系统中最重要,起到信号鉴频的作用。基于测量误差最小和实际加工工艺的考虑,设计了标准具的参数和米散射测风激光雷达接收机的结构,并且把该接收机用于米散射测风激光雷达系统中并进行了标准具透过率的测量,用Pseudo?鄄Voigt函数拟合出标准具的各个参数,与理论设计相差在5 %以内。同时进行了风廓线的初步测量,与风廓线雷达Airda16000进行了比对,两者符合很好。