应用于注水井的靶式光纤布喇格光栅流量传感器

为了解决注水井下安装和维护传感器难度大和成本高的问题,设计和理论分析了一种基于杠杆-铰链结构的靶式光纤布喇格光栅（FBG）流量传感器,将传感器结构中的FBG1和FBG3分别粘贴在杠杆-铰链两端构成差动结构,使传感器具有低启动与大量程特性;通过温度补偿光栅FBG2实现了温度和流量的同时测量。对传感器的结构进行了仿真与优化,得出传感器的优化参数,并以此参数为基础进行流量测量、重复性、温度测量、温度补偿、稳定性等实验。实验结果表明,该传感器可以同时测量流体流量和温度,其温度灵敏度为17.94 pm/℃,流量分辨率为0.039 L/s。     

光纤端面涂覆敏感材料的高灵敏度传感器北大核心CSCD

描述了一种基于法布里-佩罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer, FPI)结构的双参数光纤传感器,并演示了它可以同时测量气压和温度。所提出的FPI传感结构由覆盖在单模光纤端面上半球形的紫外固化胶组成,FPI产生的光谱干涉峰对环境温度和气压变化敏感。选择传感器干涉谱中两个谐振峰波谷Dip 1和Dip 2,跟踪它们的波长随气压和温度的变化,构建传输矩阵,能够同时测量气压和温度,并消除交叉敏感。实验结果表明Dip 1点的气压与温度灵敏度分别为2.925 nm/MPa和-1.165 nm/℃,Dip 2点的气压与温度灵敏度分别为4.715 nm/MPa和-1.209 nm/℃。利用Dip 1和Dip2的气压与温度灵敏度构建测量矩阵,传感器实现了多参数测量。通过长时间稳定性实验发现传感器测量气压与温度的最大误差分别为0.068 MPa和0.19℃。该传感器具有灵敏度高、结构简单紧凑、造价低廉等优点,在工业生产中具有一定的应用价值。     

自容式海洋压力测量系统设计

在海洋科学研究中,压力测量技术已经得到广泛应用。针对海洋科学研究领域对低功耗、高精度及宽温度范围的需求,系统描述了一个使用硅压力传感器的设计方案,并给出了一种硅压力传感器的温度补偿方法及其标定算法,实现了宽温度范围下硅压力传感器的高精度测量。     

油井井下高温度和压力测试系统研究与应用

为了对井下温度压力参数测试系统进行研制,采用铂电阻和蓝宝石硅晶体作为前端传感器,系统采用井下直接测量,避免通过中间介质进行传导,可实现较小误差。恒流源驱动方式使采集前端信号工作稳定,采用时间同步的方式将采集信号与深度关联,数据分析时能够绘出温度压强随油井深度变化的曲线,实现精确测量,掌握地层分布规律。     

基于温度自补偿原理的光纤布拉格光栅压力传感器

本课题研究了温度自补偿对FBG压力传感器的作用。在压缩和牵拉FBG或温度变化时,FBG周期与反射率会发生变化,从而使光纤光栅中心波长相应漂移。本课题设计的FBG传感器,可以用来分析中心波长漂移与水位的对应变化关系,同时消除环境温度与结构热膨胀的影响。与通常的FBG传感器相比,该传感器的结构用来消除温度对压力测量结果的影响,实现温度的自补偿,对于解决温度和压力交叉敏感的问题具有指导性意义。本课题分析了传感原理,进行了温度和压力测试,显示出传感器性能优良,在0-500厘米的水位压力内,精度达5‰FS,分辨率1.3cm,重复性误差0.863%,线性误差0.415%.     

用单片机软件实现传感器温度误差补偿

介绍了用单片机软件实现传感器温度误差补偿一种方法，在建立了传感器温度误差的数学模型基础上，给出了如何软件实现温度补偿的流程和具体方法，对自动检测仪表中提高传感器的测量精度，提供一条行之有效的途径。     

具有温度补偿的光纤生物量浓度在线测量传感器

利用光能量的吸收和散射与生物量浓度之间的关系,建立了一种基于光纤回归反射能量衰减技术的生物量浓度在线测量方法。由于在生化反应过程中常伴随着生化产热以及环境温度的改变,从而给传感器测量带来误差。为了消除温度信号对测量结果带来的误差,通过在传感器单元中引入温度补偿臂,消除温度信号对待侧信号的影响。实验表明:该传感器实现了生物量浓度的在线测量;同时,通过引入温度补偿臂消除了温度变化对生物量浓度测量的影响,从而真正实现了生物量浓度的准确在线测量。     

光纤传感器在海洋科学领域的应用与研究进展

详细论述了光纤传感器在海洋科学领域,包括海洋的温度、压力、盐度、pH值、溶解氧浓度和浮游植物的叶绿素a的浓度等方面的应用与研究进展,对传统测量方法和光纤传感技术测量方法进行了比较。可以预见,光纤传感器对保护和监测海洋环境、开发海洋资源以及发展海洋养殖业具有重要的现实意义。     

提高光纤光栅传感器测量精度的研究

在实际应用中,光纤光栅传感器的测量精度受到噪声,成本等因素的制约。为了实现低成本的高精度光纤光栅传感器系统,提出了对光纤光栅反射谱采用自适应阈值小波消噪和B多节点样条拟合插值算法的处理技术,并通过实验和仿真得出自适应阈值小波消噪,有效提高了系统的信噪比,在相同采样精度下拟合插值处理前波长检测的误差为0.01nm,处理后误差为0.0017nm,误差降低了一个数量级。实验结果证明该方法不但可以有效降低噪声带来的读取误差,而且提高了测量Bragg波长漂移量的分辨率,从而实现高精度地测量温度、应变等外界参量。     

降低迟滞误差的光纤光栅传感器的研究

主要针对传感器的迟滞问题,研制了一种适合做光纤光栅传感器基底材料的恒弹性铌基合金,该合金的弹性后效、弹性滞后作用很低.设计一种新的传感器结构,分别用弹簧钢和新研制的恒弹性铌基合金作基底材料,通过压力实验比较两个传感器的压力迟滞误差.实验结果表明,在0～50 MPa的压力检测范围内,弹簧钢制成的传感器在加压、减压过程中产生了较大迟滞误差,迟滞误差为0.54%;利用新合金制成的传感器迟滞误差非常小,仅为0.099%,在0～50 MPa的范围内实现线性传感.传感器具有温度补偿的功能,能够同时对温度和压力进行测量,很好地解决温度交叉敏感问题,可应用于油气井、大型储油罐等的温度和压力测量.     

抗恶劣环境的保偏光纤温度传感器

基于应力型保偏光纤传输常数差对温度的敏感性并利用偏光干涉技术,提出了一种反射型保偏光纤温度传感器并推导出传感方程。在传感器中采用宽谱光源抑制了输入/输出光纤中偏振耦合引起的误差,特性分析表明这种传感器实用、精度高并且配置灵活。实验结果与理论完全吻合,其噪声等效可探测温度精度达0.01℃。根据大型电力变压器的绕组温度监测要求,研制出一套远程多路温度传感器系统。采用特殊的涂覆和密封石英毛细管封装技术,保证光纤传感头能在热油及250℃的高温下工作,而且具有很高的绝缘性。检测结果表明传感器在0~200℃内,达到了±0.5℃测量精度。     

基于保偏光纤模式干涉的温度传感技术

基于Sagnac光纤干涉仪偏振非互易的光纤温度传感器的理论、方案和相关技术,利用光强度直接测量的信号检测技术,实现了单点温度传感并进行了实验验证.实验和测试表明:这种温度传感器达到了0.01℃的温度分辨率和稳定性,通过改变温度传感头的长度和传感保偏光纤的双折射率,可方便地调节其测量范围.同时又提出了一种新的反射型保偏光纤温度传感方案并研制出微小型保偏光纤温度传感头.在此基础上,实现了多点温度测量,研制出大型变压器绕组温度监控用多点温度传感系统,在0～200 ℃的温度范围内达到了0.5℃的测量精度和分辨率,研制的传感头满足高电压绝缘和热油、热蒸汽的恶劣环境要求.     

光纤光栅温度传感器增敏封装特性研究

通过利用聚酰亚胺涂覆裸光纤光栅的方法研制了一种增敏型光纤光栅温度传感器,其反射波长的温度敏感系数由曾敏前的10pm/℃提升至40pm/℃。在-40~200℃测试环境中,开展了传感器标定和温度精度测量试验。试验结果表明:利用光纤光栅增敏封装,在高低温环境中采用低精度光纤光栅解调仪,传感器的测温精度由±0.4℃提升至±0.1℃。上述结果显示,采用增敏封装结构能够提升光纤光栅温度传感器的测量精度,减低制作成本。     

Development of a fiber optic health monitoring system for aerospace applications

This paper describes our research activity involved in the identification, development and test of a prototype SHM system constituted by optical sensing nodes to measure both temperature and strain on ultra high temperature ceramics (UHTC) materials up to 1000 °C. Commercially available optic devices can operate up to 550 °C. To raise temperature limit up to 1000 °C, custom devices, mainly under development for scientific applications, have been identified. A prototype SHM system has been developed adopting a FBG sensor for temperature measurement and an EFPI sensor in sapphire fiber for strain measurement. The preliminary findings from thermo-mechanical tests indicate that former SHM system is capable of accurately measuring strain at elevated temperatures on UHTC materials.     

激光脉冲制作的长周期光纤光栅/法布里-珀罗高温-应变组合传感器

在很多高温环境应用中,诸如发动机、飞机和宇航器、复合材料的健康监测,需要精确测量应变。针对这种场合提出了一种基于激光脉冲制作的长周期光纤光栅/法布里-珀罗(LPFG/F-P)温度-应变组合光纤传感器。该传感器由长周期光纤光栅与光纤法布里-珀罗干涉传感器级联构成,其中长周期光纤光栅由高频CO2激光脉冲制作,用于监测温度;光纤法布里-珀罗干涉传感器由157nm准分子激光脉冲制作,用于监测应变。这种新型组合光纤传感器最大的特点是能承受500℃的高温并能在高温环境下实现应变的精确测量,可望在高温恶劣环境条件下的结构(如飞机发动机)健康监测、复合材料生产过程监测等应用中发挥重要作用。     

采用双窗口红外探测器的道面温度遥测系统

在外场应用环境中,红外道面温度遥测系统的自身温度会发生较大幅度的变化,引起的内部杂散辐射变化会导致较大的系统测量误差。设计了采用双窗口红外探测器的红外道面温度遥测系统,同时对目标物辐射和内部杂散辐射进行实时测量,并在考虑探测器温度效应的基础上,建立了扣除内部杂散辐射影响的道面温度计算模型;标定实验结果表明:当探测器工作温度和测量目标温度分别在?10~40 ℃、?10~60 ℃范围时,探测器温度效应和辐射定标函数均可以做线性化处理,并呈线性叠加效果,验证了道面温度计算模型的合理性;经过标定后,红外道面温度遥测系统与Pt100接触式温度传感器进行了外场比对测试,得到测量系统与Pt100接触式温度传感器的测量数据相关性达到98.7%,其中夜间测量误差低于2.78%,表明了系统可在环境温度变化的外场条件下准确测量道面温度。     

多接口温湿度数据采集器的设计

针对目前常用的温湿度数据采集系统优缺点,本课题提出新型温湿度数据采集器的设计方法,该采集器以51单片机为核心,能提供热电偶、热电阻、I2C及单总线4种传感器接口形式,可同时采集32路温湿度数据,具有很好的兼容性和扩展性。该设备样机在云锡集团的生产车间实际测试后,结果表明：使用该数据采集器和配套软件系统可实现PC机与单片机的通信,并把监测参数和结果实时显示在PC机。经检定测温精度达到±0.1℃,测湿精度±3.0RH,获取了白酒发酵过程的各环节完整温湿度参数曲线,为机械化、标准化生产提供了可靠的控制曲线。     

基于光纤准直器的反射式盐度传感器

设计了一种新颖的光学盐度传感器,该传感器采用基于光纤准直器结合双通道反射原理而设计,特别适用于长距离的盐度值测量（盐度值在设计中用不同浓度的氯化钠溶液表示）。为了验证该传感器的性能,设计并实施了一个对比实验。实验系统是基于菲涅耳反射原理的双通道系统,一路通道接测量传感器,另外一路通道接普通的带保护层的光纤端子。主要创新点和先进性是:普通的光纤准直器可直接用作盐度值测量传感器,尤其是实验表明该传感器的信噪比至少比普通光纤头式传感器高6.11 dB,等价测量距离至少延长了30 km。实验同时表明温度的影响值为0.005 16 dB/℃,温度对测量值影响很小,而且该传感器系统还可以有效消除光源和外界环境带来的干扰。     

遥感卫星结构在轨热应变光纤光栅监测方法

遥感卫星结构在轨服役期间易受空间极端温度变化与微重力环境影响容易产生热应变,严重影响探测精度,而现有方法难以实现热应变在轨监测。针对这一问题,提出具有温度解耦功能的热应变光纤光栅监测方法。采用数值模拟方法开展结构热应变计算分析,得到结构整体和局部热加载下温度场和应变场分布特征及变化规律。设计构建热应变光纤监测试验系统,对卫星天线结构模拟试件进行热加载光纤测量试验,测试分析热应变光纤监测精度,验证了方法的有效性。研究结果表明,在?120~120 ℃温度变化范围,利用光纤布拉格光栅传感器和温度解耦方法监测温度和热应变的相对误差分别为1.02%和2.45%;在30~100 ℃局部热加载作用下,结构温度场和应变场的重构误差分别为3.24%和6.61%。该方法在卫星结构在轨监测领域中具有良好的应用价值与前景。     

基于双光栅级联结构的温度及浓度传感特性测试

研究了长周期光纤光栅（LPFG）级联布拉格光纤光栅（FBG）结构的温度及浓度传感特性。利用飞秒激光直写制作LPFG并级联FBG,且FBG波谷位于1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 560.5 nm。在30~50℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对浓度为3%~30%的葡萄糖溶液进行敏感性测试。实验结果表明:升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度26.36 pm/℃,线性度0.950 8;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-24.55 pm/℃,线性度0.914 2。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度25.00 pm/℃,线性度0.945 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度为-21.82 pm/℃,线性度0.921 2。FBG对浓度变化不敏感,当浓度由3%增至30%时,LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度196.36 pm,线性度0.956 5。结果表明该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现温度和浓度的测量。