分布式光纤应变传感器的研究

根据光纤中的布里渊散射频移与光纤所受的拉伸应变有关的特性,提出了基于光频域反射法的分布式光纤应变测量系统,采用光纤光栅法布里-珀罗干涉仪对布里渊频移进行直接测量的新方法,给出了实验系统及实验结果,证明了该方案的可行性.     

基于BOTDR的桥梁斜拉索模拟实验研究

针对传统手段监测特大型桥梁斜拉索结构健康存在的技术缺陷,利用分布式光纤传感技术对桥梁斜拉索实现大范围、远距离的空间连续性监测;通过研究特大桥梁斜拉索的力学特性并与光纤传感器相结合,搭建传感光纤-斜拉索索力监测模型,设计并实施斜拉索索力监测模拟实验,实验中逐渐增加砝码,使模型实验中模拟桥梁斜拉索的形变量逐步增大,观察此过程中光纤传感器的布里渊频移变化;对布里渊频移监测实验数据进行整理分析,通过监测光纤传感器中频移变化量来表征斜拉索索力的变化程度,得出应力光纤传感器中布里渊光纤频移与斜拉索拉力曲线呈线性关系,绘制布里渊光纤频移-斜拉索索力拟合曲线,提出布里渊光纤频移-斜拉索索力关系式,为特大桥梁斜拉索的结构安全健康提供了一种新的监测方式。     

基于BOTDA技术的分布式光纤温度传感试验系统

建立了基于BOTDA(布里渊光时域分析技术)的分布式传感实验系统,该系统由150 mW窄带激光器、50 mw窄带激光器、声光调制器、脉冲发生器、环形器、频率计数器、光电探测器及相应光学器件组成.进行了温度传感试验,获得传感光纤处于25℃、35℃、45℃及55℃时的布里渊频移谱,通过对不同温度下频移谱峰值进行拟舍得出该系统的温度系数.进行了分布式光纤温度传感试验,将传感光纤分成3段,中间段置于温控箱中,调节温控箱的温度,使中间段温度不同于其他两段,扫描泵浦激光频率,使得处于室温下的传感光纤中发生受激布里渊散射,利用示波器获取了当光脉冲为2μs时系统输出电压信号波形.     

采空区沉降监测的BOTDR光纤传感技术

基于布里渊光时域反射计(BOTDR)设计了应变检测系统,用于采空区的沉降监测。该系统使用窄线宽激光器和高消光比光调制器产生脉冲光,并通过相干探测和微波扫频获取高信噪比的原始信号,最后采用洛仑兹曲线拟合算法解调出布里渊频移分布曲线。实验中,选用10.19 km的传感光纤,在末端3.9 m长度光纤上施加不同应变,以模拟采空区的沉降,解调的频移误差为2.1 MHz,对应应变测量误差为48.7με,该系统能为采空区的沉降监测提供一种方案和技术。     

34km传感长度的布里渊光时域反射计的设计与实现

布里渊分布式光纤传感器是目前最具应用前景的分布式光纤传感技术之一,其关键是如何检测布里渊散射光信号,布里渊光时域反射计是其中较好的检测方式。针对布里渊散射光信号特点,应用光相干技术来检测布里渊散射光信号。具体采用微波电光调制产生频率可调的参考光,和散射光进行相干检测,根据散射光频移特性,应用电信号处理技术取出布里渊散射光电信号,并采用偏振控制技术来抑制相干检测的偏振相干性,再经过数字信号累加和平均处理,最后得到分布式传感信号。采用光相干检测设计方案实现了布里渊时域反射计分布式光纤传感器,并进行了34km光纤的分布式应变传感实验。     

基于连续光抽运的布里渊光时域分析仪新技术

介绍了一种基于连续的抽运—探测光相关的布里渊分布式光纤传感器新技术,该技术采用频率调制连续的抽运光和探测光,通过检测沿光纤的后向布里渊散射光的频移实现温度和应变的分布式测量,其空间分辨力可达1cm,比常规基于脉冲抽运光的布里渊光时域分析仪(BOTDA)技术的分辨力高近两个数量级。还结合常规BOTDA讨论了该新技术高分辨力的优势和测量范围受限制的不足。     

基于BOTDR分布式传感系统的研究

为了能够实时监测电力传输线路的温度和应变信息,并监测输电线路的安全状态,设计出30 km远程光纤温度应变传感系统。该系统基于光时域反射计(BOTDR)技术的分布式光纤传感技术,采用光学相干拍频的技术方案,利用布里渊激光器作为相干拍频本地光,有效地解决了BOTDR技术方案中存在的微弱信号检测和宽带移频问题。同时提出一种非均匀采样法对采集数据进行处理。搭建了实验系统,并对整个传感系统进行了温度和应变传感测试,测试结果表明:该传感系统传感范围可以达到30 km以上,空间分辨率可达到5 m以下,温度分辨精度为±1℃,应变分辨精度为±20με。     

基于光纤移频延时环的 Φ-OTDR 信号衰落抑制方法

多频探测是相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)光纤传感系统中干涉衰落抑制的重要手段,但存在多频率生成造成结构 复杂的问题。 提出了一种基于光纤移频延时环的多频脉冲产生方法,设计了包含移频、放大、延时、滤波、隔离等环节的光纤环 结构,使用简单结构实现了多频探测脉冲的产生与复用。 并分别采用脉冲延时补偿算法与旋转矢量求和算法对瑞利后向散射 拍频信号实现了数据对齐与数据聚合。 实验结果表明,传感系统通过生成包含 6 个频率分量的多频探测脉冲,可在 10. 33 km 的传感光纤上将衰落概率由 26. 43% 优化至 0. 93% ,并实现了信噪比为 5. 29 dB 的振动信号准确定位,以及相关系数为 0. 997 的振动信号线性解调,从而为 Φ-OTDR 系统在复杂环境下的振动信号抗衰落解调提供了新的解决方案。     

布里渊散射分布式光纤传感器研究现状与展望

布里渊散射分布式光纤传感器在结构健康监测领域具有广阔的应用前景。阐述了布里渊散射分布式光纤传感器的原理,分析了基于布里渊光时域反射、布里渊光时域分析和布里渊光频域分析的分布式光纤传感技术的研究现状,提出了布里渊散射分布式光纤传感器的研究热点及存在的问题,并对其发展趋势进行了展望。     

移频信号测试仪的设计

设计基于TMS320F2812的移频信号测试仪检测移频信号,保证列车行车安全。利用欠采样技术、快速傅立叶变换和Hilbert变换分析移频信号的频谱特性,从硬件电路和软件设计上采取措施,提高移频轨道电路测试仪的抗干扰性,保证测量精度,将误差控制在允许范围内。通过实验验证,该仪表达到预定设计目标。     

法布里-珀罗型光纤应变干涉仪

光纤传感技术是现代通信的产物,是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新技术。光在传输过程中,光纤易受到外界环境的影响,如温度、压力等,从而导致传输光的强度、相位、频率、偏振态等光波量发生变化。通过监测这些量的变化可以获得相应的物理量。详细介绍了一种常用的干涉型光纤传感器——法布里-珀罗（F-P）光纤应变干涉仪。     

贴装式光纤应变传感器设计

本文导出了任意应变场中任意形状的单模光纤中传输光的相位—应变关系，提出了贴装式干涉型光纤应变传感器的一种新的设计方法，可用于任意类型应变与应力场中考察点处的应变或应力测量。     

基于Frenet-Serret框架的OFDR三维形状重构算法研究

为了更深入地研究光频域反射法（optical frequency domain reflectometry, OFDR）在形状检测,有效计算变形监测等应用场景下光纤的形状和位置,设计了一种利用分布式光频域反射技术测得的光纤应变数据来重构三维形状的算法。与已有算法相比,在数据处理环节加入了样条插值,从而使得形状还原精度提高,并利用仿真实验对算法进行了验证。首先设计了通过应变数据得到三芯光纤曲率和弯曲方向采样值的计算方法,结合Frenet-Serret公式构造了曲线方程;然后利用有限元分析软件对空间S形应变数据进行建模并提取,带入已设计的算法求解,在三维空间中重建S形光纤;最后得出位置误差随着光纤长度的增加逐渐增加,均方根误差计算结果为0.996 mm,单位长度误差最大值为0.082 4%。结果表明,该算法能较好地恢复原始曲线,具有一定的工程价值。     

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。     

Electromechanical measurements of electric field-induced displacements of fibers

In this paper we report on a development of a new method for measurements of electric field-induced displacements in a cylindrical geometry (optical fiber with the deposited piezoelectric film). The measurement setup is based on a commercially available Fotonic Sensor MTI 2000 (MTI Inc.). Major disadvantages of measurement by standard techniques (e.g., interferometry) such as low reflectivity, high roughness of the coating resulting in poor fringe quality, and big displacement range are successfully avoided using a special configuration of an optical probe and a sample. The method allows performing investigations of electromechanically induced vibrations in a broad frequency range (from 0 up to 150 kHz) and various combinations of ac and dc voltages. The capabilities of the proposed method are validated by strain measurements of an optical fiber cantilever beam covered by Pb(Zr,Ti)O(3) thick film.     

光纤涂层用于光频域反射仪温度传感的仿真研究

为了设计用于光频域反射仪（optical frequency domain reflectometer, OFDR）温度传感的涂层光纤,提升OFDR的温度灵敏度,增加其适用场景,从理论上分析了1层和2层涂层对单模光纤中瑞利频移温度灵敏度的影响并进行了仿真。考虑到外涂层的几何、热和机械性能,首先,用Lame解理论分析涂层对OFDR瑞利频移温度灵敏度的影响;其次,基于温度带来的光纤轴向应变关系以及光纤与1层涂层之间的力平衡,提出了仅含1层涂层的简化解;最后,针对建立的理论模型,对1层以及2层外涂层光纤的瑞利频移温度灵敏度进行了仿真。结果表明,瑞利频移温度灵敏度随着外涂层的杨氏模量、半径和热膨胀系数的增加而增加,而与涂层泊松比几乎无关。本研究结果将有助于提高OFDR在高温度灵敏度和低温场景中的应用。     

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。     

基于应变模态的液压卡箍松动识别与定位

针对液压管路卡箍松动故障,提出一种基于应变模态变化的卡箍松动识别与定位方法。利用有限元仿真对卡箍在正常安装与松动情况下管道固有频率及应变模态进行分析,并设计基于光纤光栅的应变模态实验测量系统,获取卡箍松动前后的固有频率与应变模态振型并分析其变化规律。结果表明:卡箍松动导致固有频率下降,低阶应变模态振型发生变化,且松动位置附近变化最为显著。根据固有频率与实验应变模态振型的变化可对卡箍松动故障进行识别与定位。     

环形腔全光纤F-P干涉仪的声发射检测实验研究

提出了一种新型结构的用于声发射检测的全光纤F-P干涉仪。选用2×2光纤耦合器,将耦合器的一个入射端与一个出射端焊接相连,以耦合器代替传统的反射腔面,构成光纤环形传输腔,腔体贴附或埋入待测固体中检测声发射信号。通过理论推导和计算机仿真,确定了此结构光纤传感器的检测特性。实验以大理石板作为待测介质,对利用信号发生器驱动PZT（压电陶瓷）作为已知超声源在大理石板中产生的连续型声发射信号,及冲击波作用下大理石板中产生的突发型声发射信号进行了检测,并利用Fourier变换,得到了声发射信号的特征频率。实验结果表明,此种结构传感器能够检测材料结构中促使光纤轴向伸缩长度的量级为10-8m的声发射信号并识别其特征频率,该结构光纤传感器无需光程的匹配,适用于大尺度构件的监测,为材料结构健康检测与监控提供了一种新的方法。     

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。