远程分布式光纤温度传感系统的设计和制造

为了测量长距离大范围空间分布温度场,设计制造出30km远程光纤温度传感器。基于光纤放大的反斯托克斯背向拉曼自发散射测温原理,对系统进行了优化设计。用1550nm掺铒光纤激光器作为抽运源,采用高速瞬态波形采样技术,累加平均等信号处理技术,解决了远处背向反斯托克斯弱信号的检测问题。采用了智能化恒温技术,使主要元器件在恒温条件下工作,解决了工程应用中环境的适应性。远程分布光纤拉曼温度传感器系统已达到的主要技术指标如下:光纤长度31km,测温范围0-100℃(可扩展),温度测量不确定度为±2℃,温度分辨力为0.1℃,测量时间为432s,空间分辨力为4m。     

分布式多参数光纤传感技术研究进展

分布式光纤传感系统利用光纤既能传感又能传输信号的特性实现对光纤沿线振动、应变、温度等物理量的长距离连续测量,在周界安防、电网管道监控、大型结构健康监测等领域具有十分广阔的应用前景。上述的实际应用中,事件或故障的发生通常表现为振动、应变以及温度等物理量的改变,振动的探测频响高低、应变探测的动态响应能力以及多参数的同时测量都会影响事件的定位或预警。因此,振动的宽频测量、应变的动态测量以及多参数测量,对事件定位和信息完整捕获起着至关重要的作用,能够推动分布式光纤传感的应用发展。本文介绍了近年来在分布式光纤传感系统中,基于瑞利散射的宽频振动测量、基于布里渊散射的应变动态测量以及基于多散射的多参数测量取得的研究进展。

     

分布式光纤拉曼放大器研制的进展

对分布式光纤拉曼放大器研究的历史、基本原理、优化设计以及现状和进展进行了讨论.对S波段的色散补偿型分布式光纤拉曼放大器以及采用光纤拉曼激光器作为抽运源,在前向抽运和后向抽运条件下,对5kmDCF-50kmG652光纤色散补偿型分布式光纤拉曼放大器增益光谱和噪声谱进行了研究.设计和制作了光纤光栅的增益平坦滤波器,取得了较好的增益平坦效果.FRA-1型分布式光纤拉曼放大器在校园网进行了应用试验,取得了较好的试验效果.     

分布式光纤传感技术在油井中的应用

在稠油开采中,为了合理地注汽、注水采油,需要对注汽井或生产井进行井下温度测试,利用光纤进行油井分布式温度测试是近年发展起来的一项新技术,与其它井温测试方式相比有无可比拟的优势。光纤传感器具有数据传输速度快和测试温度高的能力,它属于无源传感器,不受电磁辐射的影响,运用此技术可连续测试生产油层的温度,这项技术能够用于油井的监测。对2010年欢采齐40井的具体实例分析,为甲方提供可靠的温度数据,通过近几年应用取得了较好的效果。     

基于拉曼散射的分布式光纤传感系统真空低温热沉环境温度梯度测量

新型分布式光纤温度传感器具备电类温度传感器所不具有的独特优势,扩展了温度测量在真空低温环境中的应用领域。在真空低温热沉环境下使用分布式光纤温度传感器进行温度梯度测量。传统热电偶温度传感器和分布式光纤温度传感器布置在同一双层铝板结构中,铝板以及传感器放置在真空低温热沉环境中。铝板由加热片进行控温,以实现真空低温热沉环境下不同温度梯度的测量。对两类传感器所测铝板的温度数据进行分析,结果表明,基于拉曼散射原理的分布式光纤温度测量系统能够对真空低温热沉环境下的温度梯度实现精确测量,可以满足低温工况下工件的温度测量。     

基于分布式光纤传感的堤坝形变监测系统设计

针对大型堤坝长距离,大范围和形变隐患实时监测的难题,本文提出采用分布式受激布里渊散射光纤传感技术的监测系统,介绍了分布式光纤传感实验仪的数据采集原理,分析了数据结构流程,以黄河堤坝的监测为例,构建了基于Omnisens的DiTeSt分布式光纤传感仪的监测系统;监测系统的数据库由原始传感数据源、数据库、用户输出和用户操作四部分组成,能对实时监测和历史数据进行处理和管理,为堤坝安全监控专家系统提供重要资料和决策依据.     

分布式光纤温度传感的拉曼散射理论分析

本文比较系统地分析了光纤中泵浦光向拉曼斯托克斯光转换的过程,同时讨论了斯托克斯光随注入泵浦光变化的情形,引入了泵浦阈值功率的概念,为分布式光纤温度传感器系统打下了理论基础。     

基于分布式光纤温度传感技术的ADSS光缆电腐蚀在线监测系统

众所周知,今天的电力通信网正以其独特的发展优势越来越被社会所重视。在电力光纤通信网络的建设中,当前ADSS电力特种光缆发挥着重要的作用。本文在剖析ADSS光缆的组成与特点的基础上,构建了基于分布式光纤温度传感技术的ADSS光缆电腐蚀在线监测系统。     

光栅尺解调的分布式光纤光栅传感系统

提出了一种新的利用光栅尺解调一组光纤光栅布喇格波长移动的系统。当光纤光栅所受的应力或温度发生变化时,光纤光栅的布喇格波长会变化(移动)。本系统利用一组光纤光栅作为敏感元件置于被测场中;利用另一组光纤光栅作为跟踪元件,跟踪从作为敏感元件的光纤光栅反射回来的布喇格波长的移动。当作为跟踪元件的光纤光栅的布喇格波长与作为测量元件的光纤光栅的布喇格波长对准时,探测器探测到最大的光强,此时,记下光栅尺的输出作为系统的测量结果。采用数字化的方法确定反射回来的布喇格波长的峰值点,从而提高系统的测量精度,使系统的测量线性大于0.999。并利用一个测量分辨率为0.01μm的光栅尺读出系统的测量结果,使本系统对光纤光栅布喇格波长移动的测量分辨率小于1μ应变量。     

Brillouin-Based Distributed Temperature Sensor Employing Pulse Coding

A distributed temperature sensor based on spontaneous Brillouin scattering and employing optical pulse coding has been implemented and characterized using a direct-detection receiver. The signal-to-noise ratio (SNR) enhancement provided by coding is analyzed, along with the influence of coding in stimulated Brillouin threshold. Simplex-coding using 127 bit codeword provides up to 7 dB SNR improvement, allowing for temperature sensing over 21 km of dispersion shifted fiber with 3.1 K resolution and 40 m spatial resolution, permitting to avoid the use of optical pulse amplification.     

分布式光纤传感器周界安防入侵信号的多目标识别

针对分布式光纤在周界安防系统中信号种类,即不同的环境下产生的噪声信号干扰和常见的入侵产生的信号。本文基于全光纤马赫—泽德干涉仪的分布式光纤传感模型,提出了一种识别常见的越境信号和消除环境噪声干扰信号的方法,实现了在去除环境干扰的情况下,用BP神经网络对多种入侵信号识别。实验结果证明,该方法能够有效的区分越境信号和不同环境状态产生的噪声信号,极大的提高了整个系统的识别率,降低了其虚警率。     

分布光纤Raman光子温度传感器(DOFRPTS)系统的信号和噪声分析

在DOFRPTS系统中，自发反斯托克斯Raman散射光子是温度信息的载体．Rayligh散射光子是压力、应力信息的载体，在2公里长光纤上，实时采样1000个点．可同时测量空间温度场的分布和空间力场的分布．系统中分别采用Rayleigh散射OTDR技术和Raman散射OTDR技术．对所测点进行定位．本文对DOFRPTS系统中的信号、噪声进行了分析，测温精度由系统的信噪比来确定，本系统的测温精度达±1℃．     

基于普通光纤的分布式温度传感系统

介绍了一种以标准多模光纤代替高掺锗的特种光纤作为感光纤的分布式光纤温度传感器系统。应用系统进行温度测量取得了较好的实验结果。     

WDM与OTDR结合的弱光栅分布式温度传感网络

提出一种基于弱反射布拉格光栅的新型分布式温度传感网络,将WDM与OTDR相结合,采用WDM技术提高光栅的复用容量,利用OTDR对各个弱光栅进行实时检测,以实现光栅的密集串行复用,并提高空间分辨率。使用可调谐脉冲激光为光源,多组不同中心波长弱光栅等间距刻制在一根光纤上。利用一根光纤刻制的三组反射率为3%,中心波长分别为1544.660nm、1545.802nm和1546.900nm的9个FBG进行了温度实验。实验结果表明,在5～80℃的温度范围内,FBG的中心波长随温度变化呈良好的线性,线性度达到99.6%以上,温度测量的分辨率最高达到0.11℃,空间分辨率可达2m。     

激光三角测头的动态仿形跟踪扫描

对非接触式三坐标测量机仿形跟踪快速扫描方法进行了研究,分析了曲面仿形跟踪扫瞄过程中的关键技术。针对基于激光非接触测量的仿形跟踪扫瞄,提出一种确定扫描速度及跟动速度的计算方法。利用该方法对变截面回转体进行测量,其各个径向尺寸精度可达±5μm,且测量速度是接触式三坐标测量机的3倍,验证了该方法的有效性,较好地解决了自由曲面高速、高精度仿形跟踪测量的问题。     

用光纤进行树脂基复合材料的成型过程监测

研究了用光纤对碳纤维环氧树脂复合材料成型监测的方法和系统。通过测量复合材料成型过程中树脂折射率的变化来反映树脂的粘度变化和固化过程。     

纳秒脉冲激光对水下靶材的掩模微细刻蚀加工

在激光的传输光路中加入掩模板,采用纳秒脉冲激光对水下靶材进行了掩模微细刻蚀加工,与飞秒激光微细加工相比可显著提高加工效率,加工精度由掩模保证.在所构建的试验系统中,分别在空气中、纯水中和盐溶液中进行了加工试验,在水流的作用下,激光辐照的多余热量被带走,加工边缘热影响区明显减小.同时,水下激光辐照还会在加工区域造成光学击穿,产生等离子体冲击波,在水层的约束限制作用下,加工表现出了明显的冲击波力学效应.通过这种热-力学的复合效应,使金属材料表面产生材料去除和变形的加工效果.最终在质量分数为15%的NaNO3的溶液中,利用热-力学效应和化学反应的复合作用,实现了线宽120μm左右、热影响区小、成形精度较好的微细刻蚀加工.     

Ultra‐Specific Zeptomole MicroRNA Detection by Plasmonic Nanowire Interstice Sensor with Bi‐Temperature Hybridization

MicroRNAs (miRNAs) are emerging new biomarkers for many human diseases. To fully employ miRNAs as biomarkers for clinical diagnosis, it is most desirable to accurately determine the expression patterns of miRNAs. The optimum miRNA profiling method would feature 1) highest sensitivity with a wide dynamic range for accurate expression patterns, 2) supreme specificity to discriminate single nucleotide polymorphisms (SNPs), and 3) simple sensing processes to minimize measurement variation. Here, an ultra‐specific detection method of miRNAs with zeptomole sensitivity is reported by applying bi‐temperature hybridizations on single‐crystalline plasmonic nanowire interstice (PNI) sensors. This method shows near‐perfect accuracy of SNPs and a very low detection limit of 100 am (50 zeptomole) without any amplification or labeling steps. Furthermore, multiplex sensing capability and wide dynamic ranges (100 am –100 pm ) of this method allows reliable observation of the expression patterns of miRNAs extracted from human tissues. The PNI sensor offers combination of ultra‐specificity and zeptomole sensitivity while requiring two steps of hybridization between short oligonucleotides, which could present the best set of features for optimum miRNA sensing method.     

Sensitive Wearable Temperature Sensor with Seamless Monolithic Integration

Accurate temperature field measurement provides critical information in many scientific problems. Herein, a new paradigm for highly sensitive, flexible, negative temperature coefficient (NTC) thermistor-based artificial skin is reported, with the highest temperature sensing ability reported to date among previously reported NTC thermistors. This artificial skin is achieved through the development of a novel monolithic laser-induced reductive sintering scheme and unique monolithic structures. The unique seamless monolithic structure simultaneously integrates two different components (a metal electrode and metal oxide sensing channel) from the same material at ambient pressure, which cannot be achieved by conventional heterogeneous integration through multiple, complex steps of photolithography or vacuum deposition. In addition to superior performance, electronic skin with high temperature sensitivity can be fabricated on heat-sensitive polymer substrates due to the low-temperature requirements of the process. As a proof of concept, temperature-sensitive artificial skin is tested with conformally attachable physiological temperature sensor arrays in the measurement of the temperatures of exhaled breath for the early detection of pathogenic progression in the respiratory system. The proposed highly sensitive flexible temperature sensor and monolithic selective laser reductive sintering are expected to greatly contribute to the development of essential components in various emerging research fields, including soft robotics and healthcare systems.