光子晶体光纤端面研磨损伤的分析

对光子晶体光纤的端面研磨过程进行研究,讨论了光子晶体光纤端面研磨损伤的特点。针对光子晶体光纤的结构特点,应用有限元法建立了数值仿真模型。通过单一磨粒切削孔壁的仿真实验,分析了不同切削深度下裂纹损伤的产生情况以及不同磨粒直径对光纤孔壁结构造成的损伤。最后通过实际研磨实验验证了分析结果。结果表明:有限元法能够很好地模拟光子晶体光纤的端面研磨过程;研磨过程中,相对于非孔洞区域,孔壁边缘更容易出现损伤,呈现出沿圆周分布的崩塌区域;边缘崩塌区域尺寸随磨粒直径的增加而增加。实验用光子晶体光纤孔壁边缘无崩塌的最大切削深度低于普通光纤脆塑转变的临界切削深度,使用0.02μm的砂纸进行抛光可以有效地避免对光子晶体光纤孔壁造成损伤。     

一种新型的高压电器温度在线测量系统

基于螺旋形液晶填充光子晶体光纤的温度传感特性,提出一种新型的高压电器温度传感器系统。该传感器系统由宽带光源、螺旋形液晶、光子晶体光纤、光纤F-P腔(Fabry-Perot cavity)滤波器、信号处理放大电路等组成。将螺旋形液晶封装在光子晶体光纤的纤芯空气孔中,利用光子晶体光纤对温度和弯曲不敏感特性以及螺旋形液晶的螺距对温度变化非常敏感的特性,传感器的选择反射光波长依赖于温度的变化,采用光纤F-P腔滤波器解调出光波长的变化,利用反射波长与温度之间的关系,实现温度的测量。测量系统选用合适液晶,可以得到不同的温度测量范围,能对高压电器温度进行在线检测,测量精度可以达到±0.1℃以内,并具有本征安全、高精度、高电绝缘和抗电磁干扰、对应变和环境光变化不敏感以及与普通传输光纤兼容性好等优点。     

Influence of atomic force microscopy acquisition parameters on thin film roughness analysis

A reliable procedure for measuring parameters connected to surface roughness is needed to compare the gas sensing properties of various thin films or the effect of different fabrication procedures on the surface roughness and the sensing properties. In this article, we propose to investigate how the acquisition parameters specific to atomic force microscopy investigations such as pixel size, scan area and scan speed influence the roughness parameters, namely root mean square and surface area ratio, commonly used for characterizing the gas sensing properties of porphyrins and other materials.     

智能瓦斯传感器系统的设计

针对煤矿井下环境复杂、参数难以准确测量的问题,将模糊理论与神经网络技术相结合应用到检测领域,构造了煤矿安全监测智能瓦斯传感器系统。基于RBF神经网络重点研究了智能瓦斯传感器系统隶属函数网络样本及模糊推理网络样本的生成和训练,并对智能瓦斯传感器的硬件结构进行了设计。模糊神经网络技术为智能瓦斯传感器设计提供了强有力的技术支持,使该系统能对井下复杂参数进行准确的检测,并将传统数值测量系统的数值输出转变为语言描述输出。实验仿真结果表明,该方法行之有效,为煤矿安全监测提供了一种新的思路。     

镀金属膜长周期光纤光栅的传感特性

本文基于耦合模理论, 建立了严格的四层金属膜理论模型, 探讨了镀金属膜长周期光纤光栅(Long-period fiber grating, LPFG)的温度、 应变及折射率特性, 以及镀膜参数对镀金属膜长周期光纤光栅光谱特性的影响.仿真结果表明, 长周期光纤光栅表面最优的金属膜厚度将引起表现等离子共振(Surface-plasmon resonance, SPR)特性, 这一特性将使得LPFG 对稳定及折射率都有较高的敏感性, 而对应变影响较小. 理论分析表明, 银膜厚度在0.8-1.2 nm 范围内时, 折射率敏感度达到最大值为42.402 6, 敏感度增加4.5%. 仿真结果为镀膜长周期光纤光栅的设计及参数优化提供了理论指导.     

Graphene-based optical fiber ammonia gas sensor

To precisely monitor and forecast harmful gases in the air, a high-performance fiber gas sensor based on graphene nanometer-functional materials is proposed and experimentally demonstrated. The sensing area of the proposed sensor was a graphene-wrapped fiber which was cascaded between a down-taper and an up-taper. The graphene wrapping on the subuliform fiber sensing area substantially increased the evanescent field which transmits along the surface of fiber and will have a significant sensitization effect on the gas sensing. At the same time, the gas molecules adsorbed by graphene lead to changes of the effective refractive index of the composite waveguide, which causes corresponding wavelength drift and attenuation. By detecting the change of the output optical signal, the concentration of gas molecules was detected. Based on this principle, the sensor realized a gas sensitivity of 0.015?nm/ppm. The research shows that the sensing structure has the advantages of small volume, good mechanical strength, excellent spectral quality, and high sensitivity.     

AN ALL-FIBER GAS SENSING SYSTEM USING HOLLOW-CORE PHOTONIC BANDGAP FIBER AS GAS CELL

An all-fiber compact gas sensing system using a hollow-core photonic bandgap fiber (HC-PBF) as a gas cell is proposed in this paper. Compared with the present reported microstructured optical-fiber gas cells, the HC-PBF gas cell proposed here has relatively lower transmission loss and much simpler construction. The total transmission loss through the HC-PBF gas cell is demonstrated experimentally to be as low as 1.5 dB and the time taken for gas to get into the 90-cm-cell, under the free diffusion condition, is approximately 11 min. Combining the HC-PBF gas cell with a tunable fiber laser, an all-fiber gas sensing system is developed. The properties of the proposed system are demonstrated experimentally by detection of carbon monoxide (CO) and acetylene (C₂H₂). Approximately linear relationships between the system responses and the concentrations of the detected gases are experimentally demonstrated. The minimal detectable concentration of CO of 300 ppm and C₂H₂ of 5 ppm are also achieved respectively by the experiments.     

Mini review: Recent advances in long period fiber grating biological and chemical sensors

As an important member of the optical fiber sensor family, long period fiber gratings (LPFG) have attracted increased attention due to their outstanding characteristics. The LPFG is a transmission fiber grating without backward reflection, and isolation is not required in the sensing system. The resonant wavelength and transmissivity of LPFGs are very sensitive to changes in refractive index, temperature, strain and transverse load, so they are widely used. In this article, recent advances in biological and chemical applications of LPFG sensors are described. Various methods for improving the sensitivity of LPFG sensors are summarized, such as reducing the diameter of the cladding and cascading. In addition, an important method involves the coating of the LPFG sensor with a specific recognition element for biomass detection or a sensitive metal film for chemical detection. The structural parameters and principles in the literature are discussed in detail. This article analyzes and compares the progress and deficiencies in the detection process and anticipates future developments.     

结构参数对内啮合转子压缩机受力特性的影响

在分析内啮合转子压缩机独立结构参数对转子影响的基础上,通过定义2个相对结构参数,将影响较大的3个独立结构参数关联在一起,研究了相对结构参数对工作腔压力分布、转子上承受的气体力和气体力力矩以及主轴驱动力矩的影响。研究结果表明,λe对气体力和内外转子上的气体力矩影响较大,随着λe的增大,气体力逐渐减小,内外转子上承受的气体力矩波动加剧,特别是当λe增大到一定值后,外转子上气体力矩会始终为负;λa对主轴驱动力矩影响较大,随着λa的增大,驱动力矩的平均值和变化幅度均增大。在不考虑其他因素的情况下,选择较大的λe和较小的λa对改善压缩机受力情况有利。研究结果可为内啮合转子压缩机的设计及结构参数优化提供一定的参考。     

基于光纤光栅的高速气流总温测量方法

针对航空发动机高速气流总温测量的需求,结合光纤光栅尺寸小、无需回路的结构特点,本文提出一种采用光纤光栅作为感温元的滞止罩式微型总温探针设计与测量方法。通过数值模拟方法对光纤光栅总温探针进行了气动结构设计,分析了探针结构参数对总温测量结果的影响;在此基础上,制作了光纤光栅总温探针,搭建了总温测量数据处理系统,并通过亚音速风洞试验测试了光纤光栅总温探针的工作性能。结果表明,在马赫数为0.3～0.8亚音速气流冲击下,光纤光栅总温探针具有良好的滞止效果和稳定性,马赫数大于0.5时其复温系数达到0.8以上,在马赫数为0.8时达0.99。所制作的微型光纤光栅总温探针直径低至0.8 mm,结构尺寸远低于热电偶探针,在满足总温精准测量的同时,可有效降低对流场的干扰。     

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。     

变构型飞行器蒙皮多维大尺度变形重构方法

变构型飞行器在执行不同飞行任务时会大尺度地改变机翼结构和蒙皮形状,蒙皮多维大尺度的变形重构是变形飞行器研究中的难点。本文针对这一问题,提出一种基于多芯光纤传感的变形飞行器蒙皮变形形状重构方法。该方法基于多芯光纤光栅应变传感原理,利用传感器上的多个光栅传感点,建立光栅波长漂移和曲率之间的转换关系,实现三维曲线重构。此外,为了重构变构型飞行器多维大尺度变形下的形状,本文研究了将重构曲线转化为飞行器机翼的展开角和翻转角,并结合两个角度和飞行器机翼的长宽等固有参数,通过拟合插值将两个角度变化引起的变形连续化,实现了柔性蒙皮多维大尺度变形重构。同时,本文为了减小温度造成的误差,利用多芯光纤中间纤芯不受拉伸和压缩、只受温度影响的特点,将中间纤芯与旁轴纤芯的中心波长漂移量做差,实现温度解耦。为了验证本文变形重构方法的有效性,对飞行器蒙皮多种不同情况下的变形进行了实验测试,并将形变重构结果与视觉测量进行了对比。研究结果表明,飞行器蒙皮多维大尺度变形重构的平均误差为7 mm,变形角度重构的平均误差为3.6%,可以实现变构型飞行器蒙皮多维大尺度变形重构,该方法在航空航天器等结构变形监测领域具有良好的应用前...     

微型高压压缩机效率的数值分析

斜盘压缩机具有结构紧凑、噪声低以及高速稳定等特点,将其进行微型高压化并应用于天然气、红外冷却、潜水呼吸和气动弹射等高要求领域具有独特的优势。根据斜盘机构的结构和运动特性,结合多级压缩理论,确定微型高压斜盘压缩机的关键结构参数,在此基础上,建立起气缸内进气、压缩、排气以及膨胀4个过程的数学模型,对微型高压斜盘压缩机的各级气缸内的压力曲线进行数值模拟,绘制出气缸工作过程的指示图,研究不同转速对气缸压力变化的影响,进而分析其对等熵效率和容积效率的影响,为提高压缩机的整体效率提供理论依据。     

航空发动机气路静电传感器优化设计与安装

航空发动机气路静电传感器的结构参数直接影响着传感器的性能。采用有限元的方法,分析了传感器的结构参数对静电传感器特性的影响规律。分析结果表明:增加传感器的感应探极,传感器的灵敏度有所提高,灵敏度分布空间也增大;随着绝缘材料的介电常数增加,灵敏度值有所增加;而绝缘材料厚度的增加将会导致灵敏度下降,且随着轴向位置增加,绝缘层厚度对灵敏度值的影响逐渐减小。对于给定结构参数的传感器,采用数据拟合的方法,获得传感器的灵敏度分布函数,基于拟合系数的变化特点来确定传感器的安装布局;最后通过模拟实验对本文的方法进行了有效性验证。     

采用听觉传感策略的声品质主动控制

针对现有声品质主动控制多以心理声学参数为控制目标,声品质改善能力不足,提出一种基于听觉传感策略的声品质主动控制系统。为了使控制系统能够融入听觉非线性特性,建立了包括外/中耳模型和内耳模型的听觉传感模型,其中在基底膜建模时,考虑毛细胞对基底膜具有反馈运动调节作用,采用带宽时变的gammatone滤波器模型,该滤波器可模拟出听觉在频率和强度感知方面的非线性特性。然后,以听觉信号平方最小为控制目标,给出了基于听觉传感的主动控制系统结构,为了解决听觉传感环节的加入带来的算法计算量增加和收敛性变差问题,基于x滤波最小均方（Filtered-x least mean square,FLMS）算法,提出了延迟补偿结构与逆模型结构相结合的听觉控制算法。最后,以车速50km/h的汽车车内声为对象进行主动控制仿真,对控制前后的车内声进行了声品质客观与主观评价,并对评价结果进行比较与分析,主客观评价一致表明：与声压控制相比,听觉控制可以更好地改善听觉舒适性。     

非正交FBG柔杆空间形状重构误差分析及标定

为了提高FBG柔杆空间形状感知系统的重构精度,提出了一种利用3根FBG阵列、具有温度补偿特性的非正交FBG柔杆检测方法。在分析传感系统的误差组成、产生原因的基础上,建立仿真模型得到了各组成误差分别对系统空间形状重构精度的影响,得出减小安装角度误差是提升精度的关键。利用待标定参数与标定方向与实际检测方向夹角大小相关的原理,给出了一种修正安装角度误差的标定方法。经过实验证明,该方法使得系统形状重构最大相对误差降为0.25%,为高精度的三维形状感知系统提供了可靠的检测方法。     

双Mach-Zehnder光纤干涉传感系统中的偏振衰落控制

针对偏振衰落现象导致信号关联的二义性使分布式双Mach-Zehnder光纤干涉传感系统难以实现高精度定位的问题,提出了一种控制偏振衰落的方法来保持系统检测信号的稳定性.利用系统的偏振模型分析了偏振衰落的来源,指出传感光纤偏振特性的不一致使系统检测信号对输入偏振态敏感是造成信号相关性恶化的根本原因,据此提出控制输入偏振态、搜索偏振态工作点的抗偏振衰落思想.在此基础上通过分析输入偏振态的两个参量对信号相关系数的作用进一步明确了偏振控制对算法的要求,并利用模拟退火算法进行了验证.现场实验表明,该算法可快速搜索偏振态工作点,持续稳定系统检测信号的相关性;结果证实了提出的偏振衰落控制方法可行且有效.     

T型槽柱面气膜密封CFD数值分析

阐述了柱面气膜密封的性能特点,用Proe建立了无槽模型、T型槽模型,用专业网格划分软件Hypermesh划分网格,在Fluent中分析了操作参数对2种柱面气膜密封的影响,结果表明T型槽结构具有更好的动压效应,转速、介质粘度和压差等操作参数对柱面气膜密封性能有较大影响。     

螺旋槽气体轴承动态特性及失稳分析

针对高速动静压气体轴承气膜的复杂非线性动力学行为,以球面螺旋槽动静压气体轴承为研究对象,建立润滑分析数学模型;采用有限差分法与导数积分法进行求解,得到动态扰动压力分布及动态特性系数,并研究切向供气条件下螺旋槽参数、径向偏心率、供气压力、转速对气膜刚度阻尼系数的影响规律;建立线性稳定性计算模型,预测气膜涡动失稳转速,分析运行参数对失稳转速的影响。结果表明:气膜阻尼是一种抑制涡动的因素,气膜的稳定性取决于气膜刚度与阻尼的协同作用;气膜刚度阻尼随着槽宽比、槽深比、螺旋角的增大,整体上呈先增大后减小的趋势;刚度随转速的升高而增大,阻尼则随转速的升高而减小;径向偏心率和供气压力越大,气膜刚度和阻尼越大;在一定范围内,提高供气压力、增大径向偏心率能够提高系统失稳转速;合理地选取轴承结构参数和运行参数,能够优化轴承动态特性,保证气体轴承较高的运行稳定性。     

非熔化极气体保护焊接熔池表面形貌三维传感及其装置设计

熔池表面形貌的传感及其三维恢复在焊接机理研究和成形控制中均有着深远的意义,然而焊接过程中强弧光的干扰和熔池表面的镜面特性使得熔池表面的三维传感非常困难。利用小功率结构光条纹激光器投射激光条纹于非熔化极气体保护焊(Gas tungsten arc welding, GTAW)熔池表面,由成像屏接收熔池表面镜面反射过来的激光条纹,利用镜头前附加了与激光器波长匹配的窄带滤光片的电荷耦合器件(Charge-coupled device, CCD)摄像机观察成像屏上的条纹变化,从而获得熔池表面的高度等三维信息。为了便于研究传感规律及确定传感器结构参数间的最佳组合,设计了一套传感装置,并利用该传感装置在强弧光下获得了清晰的能够反映GTAW熔池表面形貌的激光反射条纹图像。