光纤布拉格光栅传感分析仪

提出了一种基于FPGA与DSP平台的光纤布拉格光栅传感分析仪,将外界参量的变化转化为光纤布拉格光栅波长的偏移,通过数据采集、过滤杂波、信号波峰检测、高斯曲线拟合以及加权波长计算等关键步骤来实现波长解调技术,进而完成温度、应变、压力或位移等对象的在线测量,并且可以实现光纤线路故障分析与定位的功能.实验结果表明:该系统功耗低、线性度好、波长解调精度与分辨率较高.经过长期测试,系统软硬件运行稳定可靠.     

光纤传感技术现状及其在机械量测试中的应用

引言光纤传感技术是七十年代中,后期随着光纤通信技术的发展而兴起的一门新兴技术。光纤传感器以其高灵敏度抗电磁干扰,安全防爆、体积小、结构简单且灵活多变、能与光纤通信技术兼容等许多独特的优点,受到各国的极大重视。美、日、及西欧各国都投入巨资进行研究。迄今为止,已证明光纤传感器可检测位移、转角、转速、振动加速度、表面粗糙度及电流、电压、磁场、声场、温度、压力、应变、流速等几十种机械量及其他物理、化学参量。因此光纤传感技术是一门十分有前途的新型传感技术,作为从事精密机械与测试计量工作的工程技术人员,应充分重视此门技术。为此特对光纤传感技术的基本原理及其在精密机械测试及计量中的应用作一简单介绍,并谈点对国内发展光纤传感技术的看法。     

基于分布式光纤传感的多参量地埋电缆检测装置研究

设计并搭建了一种基于相位敏感光学时域反射技术(Φ-OTDR)和布里渊光学时域反射技术(BOTDR)复合的分布式地埋电缆光纤传感系统。该系统通过测量光纤中激光脉冲后向散射光的变化,可对地埋电缆的温度、振动和应变等信息进行分布式监测。根据振动和温度的变化特性,可实现对外破、短路、塌陷等突发事件的提前预警及精确定位。该系统具有结构简单、测量精确、稳定性好等优点,为电力系统的安全运行提供有力保障。     

双光纤光栅双参量传感系统优化设计与研究

运用矩阵范数理论对所建立的双光纤布拉格光栅（FBG）压力与温度传感系统系数矩阵的态性进行了研究。结果表明，传感器对压力与温度测量误差传递的稳定性主要取决于对压力与温度传感绝对灵敏度的配系，即与系数矩阵条件数大小有关。优化设计双参量传感系统的目标就是通过破坏系数矩阵中行间和列间各元素的近似线性相关性及减小各元素之间的比例，来减小系数矩阵的条件数。通过对金属机敏元件作为衬底的双光栅双参量传感器对压力与温度传感的绝对灵敏度的优选，将其压力与温度传感系统的系数矩阵条件数降为4．4，由此得到双FBG对压力与温度双参量测量的传递误差分别为0．68％和1．1％。     

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。     

一种非本征F-P腔型光纤传感器的研究

介绍了用于温度、压力及应变测量的非本征F-P腔(extrinsic Fabry-Perot cavity)光纤传感器系统及其工作原理,当温度和压力/应变同时存在,F-P传感头交叉敏感,利用不锈钢外套屏蔽测温探头的压力/应变效应,采用与准直毛细管同材料光纤作F-P腔反射端补偿压力/应变探头的温度响应.实验表明,0～14MPa和100～300με压力和应变测量范围内最小分辨率达到20kPa和0.5με,100℃温度范围内压力的测量精度达到0.1%,温度传感器在0～100℃测量下,精度达到±0.01℃.     

基于光纤微弯损耗的压力传感器实验研究

光纤微弯传感器是一种强度调制式光纤传感器,它是利用光纤的微弯损耗效应来测量压力、温度、加速度、应变、流量等环境参量的变化.应用模式耦合理论分析了光纤微弯传感的基本原理,设计了两种不同结构参数的光纤微弯传感器,并且研究了传感器在载荷力的微扰下的输出特性和影响传感器灵敏度的关键因素.实验研究表明,所设计的微弯型压力传感器在一定的压力范围内具有较高的灵敏度、较好的线性和重复性.     

声发射与超声波同时敏感的光纤光栅传感网络研究

针对声场分布的特点和光纤光栅的轴向应变敏感性,提出一种同时进行声发射和超声测量的扇形光纤光栅传感网络。搭建了光纤光栅高速波长解调系统,实验研究了声发射、超声波单独作用和联合作用下传感网络的信号响应强度和时频特性。实验表明,该传感网络可进行声发射与超声信号的同时测量,并可检测到非线性超声现象;声场扩散角内轴向布置的光纤光栅声响应强度高,而横向布置的光纤光栅对声信号不敏感。     

基于FBG传感技术的立管涡激振动过程分析

为深入研究光纤光栅传感技术在海洋立管涡激振动测试中的适用性,在风-浪-流联合水槽中进行均匀来流下立管涡激振动试验。数据测试采用光纤光栅传感器,同时采用动态电阻传感器作为对比。通过改变多级外流流速,对比分析基于两种传感技术的立管涡激振动过程差异。同时基于光纤光栅传感技术采集应变数据并结合频谱分析及模态理论,研究立管振动的主导频率、幅值及模态响应等振动特性。研究结果表明,光纤光栅传感技术对海洋立管的涡激振动测试性能优越,能够准确体现立管的应变时程、振幅以及主导频率等振动特性,清晰反映伴随流速进程的立管模态特征及涡激振动过程,同时由模态响应和涡激振动过程分析发现立管锁频区间的产生具有瞬时性及自激性规律,这对海洋立管的模型试验与工程设计具有较大的参考价值。     

单模光纤耦合传感器的设计

以单模光纤耦合器的熔融区为传感元件的传感器是一种特殊和广泛应用前景的光学检测技术。本文分析了该传感器的敏感机理,依据单模光纤耦合传感器耦合输出是传感器耦合区长度和振动频率的函数关系,提出该种传感器可实现应变和振动检测。搭建了以微应变仪和等强度悬臂梁的应变和振动检测系统,设计了实验系统的每个单元,详细分析了耦合型光纤传感器的静态响应特性和温度、横向压力干扰影响,结果表明该类型传感器对应变的响应非常灵敏。通过与压电振动传感器的测试对比,得出该传感器可更好地实现低频和高频振动检测,并分析了其低频和高频的响应特性。耦合型光纤传感器耦合区材料、结构本身、制作工艺等因素将影响传感器的静、动态性能,面向实用化,需解决传感器存在的一些问题。     

基于BOTDR的分布式光纤传感器标定实验研究

针对基于布里渊散射原理的分布式传感光纤的标定问题，本文研发了一套分布式传感光纤标定系统。利用BOTDR测量仪器，可以标定分布式传感光纤的应变系数和温度系数，并获得Ф=900μm的尼龙紧套单模传感光纤的温度系数和应变系数：分别为2．99MHz／℃和0．05MHz／με；同时获得BOTDR实测值与真实应变的关系曲线，其相关系数大于0．995。该结果证明，普通通讯用紧套单模光纤可以用作分布式传感光纤，文中的标定方法及标定结果可为分布式传感光纤研究提供重要的研究手段及研究依据。     

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。     

提高分布式光纤温度传感器测量准确性的方法

分布式光纤温度传感技术是近年来发展起来的一种新型传感技术，它利用一根光导纤维作为温度信息的传感和传导介质，可以测量整个光纤长度上的温度情况。这在解决大型重要结构的实时监控、准确测量等问题以及在组成智能材料结构等方面具有重要价值和应用潜力。本文对基于反斯托克斯／斯托克斯比值的分布式光纤温度传感器系统的温度计算方法和定标进行了理论分析，并提出了采用计算方法消除两路测量通道的损耗系数差异对温度测量的影响。     

一种基于光学游标效应的光纤应变传感技术研究

游标效应是提高传感器测量灵敏度的有效方法，提出了一种具有温度稳定性的基于光学游标效应的高灵敏度光纤应变传感方法。详细阐述了高灵敏度光纤应变传感方法的理论基础和系统结构，并对基于光学游标效应的光纤应变传感器的增敏效果进行了仿真研究。理论分析和仿真结果表明：将光学游标增敏效应与SMS干涉仪传光特性相结合，通过两个干涉仪的级联，可以实现具有环境温度稳定的高灵敏度应变传感器，灵敏度相较于原有的光纤应变传感器提高了10倍。该技术的研究和推广对光纤应变传感技术的发展具有重要意义。     

干涉／强度调制型自校准F—P腔光纤传感器的应变测量

文中介绍了强度/干涉调制型自校准F-P腔光纤传感器系统及其工作原理,系统采用中心波长为1 310 nm的LED作为光源,粗波分复用器将传感头反射回的光分为宽谱和窄谱2路,其比值可以消除光源以及光纤损耗引起的光功率波动对测量的影响.此系统结合了强度调制型和干涉型光纤传感器的优点,既可对静态应变进行测量,又可对动态应变进行实时监测.测量结果表明:系统对于静态应变测量的线性范围为200 με,最小分辨率可达0.5 με;在动态应变测量中,可以准确获得悬臂梁的振动频率.     

光纤流量非浸入式测试系统

提出了一种基于湍流振动原理的非浸入式流量测量方法。该方法通过在油管外壁缠绕特定长度的传感光纤,并在传感光纤两端焊接光纤光栅组成光纤流量传感单元。由于流体流过管壁时湍流产生动态压力,动态压力会导致缠绕在管壁上的传感光纤相位发生变化;通过光纤干涉仪技术、时分复用技术及相位载波调制解调技术解调出相位信息,即可实现流量的在线监测。实验数据分析显示,得到的相位变化与流速呈二次曲线关系,设计的实验系统可实现5~50m3/h流量的实时在线测量。由于采用光纤作为传感器感知流量信号,该方法结构简单可靠,灵敏度高,避免了传感光纤流量计需要浸入流场的缺陷,是井下流量测试的理想方法。     

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。     

预紧封装光纤光栅温度传感器传感特性研究

为了获得稳定测量温度变化的光纤光栅温度传感器,笔者研究带预紧力的光纤光栅温度传感器的封装技术及其传感特性。通过温度传感理论分析,在避免光纤光栅对温度和应变的交叉敏感情况下,对光纤光栅温度传感器进行有限元Ansys应力分布进行模拟,可知本封装具有一定的减敏作用,温度测量量程增大,满足更多实际工程中的使用。环氧树脂DP420将带有预紧力光纤光栅封装在铍青铜材料的圆柱体内,在恒温鼓风干燥箱对光纤光栅温度传感器进行传感特性研究,40~120℃的范围内,每次升温5℃。所得结果,此光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数为23.81pm/℃,是裸光纤光栅传感器的2倍,且线性度达0.999以上。该文对光纤光栅工程化具有较大的应用价值。     

基于级联光栅的氨氮质量浓度检测

为了实现水中氨氮质量浓度的在线检测,基于光纤光栅传输理论,提出了一种利用级联光栅,双参量同步测量的传感方案,推导出传感系统的灵敏度矩阵。实验测出了布拉格光纤光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPFG)的温度灵敏度系数、氨氮质量浓度灵敏度系数,获得了传感系统的灵敏度矩阵。结果表明,该方案结构简单、易于实施,为水中氨氮在线检测的研究提供了一种参考方案。     

基于光纤传感的极端环境下装备制造与运行状态监测技术现状与发展

大型制造装备的安全运行关乎国民经济发展和国防建设,先进传感技术是实现超高/低温、超高压、强辐射、强磁场等极端环境下制造装备性能精准评估及其状态动态监测的重要支撑技术。光纤传感器凭借体积小、耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰、防爆、无源传感、易于实现多点分布式测量等优势,成为了极端环境下装备制造与运行状态监测的一项重要利器。围绕极端环境下基于极端参量光纤传感的装备制造与运行状态监测技术,归纳并总结极端参量光纤传感器的设计、制备、标定、误差补偿与应用的发展现状。介绍极端参量光纤传感器能量变换体设计方法与光纤信号调制机理,阐述光纤传感器零件的制造方法与封装工艺,并归纳光纤传感器标定校准技术与误差补偿方法。总结概述极端参量光纤传感监测技术在装备制造与运行状态监测方面的研究成果。探讨极端参量光纤传感技术的未来发展方向,并对全文进行总结。