基于准分布式FBG阵列的大型机械结构应变监测研究

针对机械加工制造中大型机械结构部位、尤其是壁板类零件在工况中受强过载容易造成结构强度失效等问题,采用准分布式光纤布拉格光栅(FBG)阵列对常见板状结构局部应变进行准分布式监测研究。在对应变传感器理论分析的基础上,结合波分复用技术,在一根光纤上接入9支FBG构成传感阵列,使其分布在板状结构表面。通过有限元理论分析与局部加载试验验证,证明了准分布式FBG传感阵列对大型机械结构进行应变监测的可行性。研究结果为结构健康监测提供了一种可靠的应变监测方法,为进一步研究准分布式FBG阵列的位置布局提供了有利的试验依据。     

工程结构光纤应变传感器

研究了一种用于土木工程结构监测的本征型强度调制光纤传感器。其敏感部分是利用光刻技术在多模光纤上形成的齿槽周期结构。文中对该传感器原理作了详细的分析，首次得到这种传感器既能测量拉应变，也能测量压应变的结论。传感器对应变的响应具有良好的线性和重复性，其应变灵敏度完全由敏感元件结构参数决定。文中给出了钢筋拉应变、混凝土压应变的试验，结果与理论一致，表明这种传感器是土木工程结构力学测量、结构监测等方面应用的新一代较为理想的光纤传感器     

基于加权最小二乘法的光纤光栅应变传感器参数敏感性自动优化算法

常规光纤光栅应变传感器参数优化方法主要依托于麻雀搜索算法,但此方法忽略了应变传递的影响,导致传感器灵敏度较低,无法保证测量精度。为此,提出基于加权最小二乘法的光纤光栅应变传感器参数敏感性自动优化算法。依据光纤光栅应变传感器的组成结构与工作原理,充分考虑应变传递系数的变化规律,计算应变传递损耗,并采用光传输矩阵计算光纤中心波长的电场振幅,由此得到传感器敏感场分布,结合模式耦合理论,以敏感场分布均匀性和最大电容与最小电容比值最小为目标函数建立参数优化模型,并采用加权最小二乘法对采样点加权获取优化响应值,进而得到传感器最优结构参数。对比实验结果表明,利用所提方法对光纤光栅应变传感器参数进行优化后,传感器的灵敏度较高,保证了传感器的测量精度。     

光纤Bragg光栅应变传感器在桥梁结构监测中的应用

为了更准确了解桥梁结构变化情况,提出了一种新的检测方法。采用串联式组网方法,用光纤Bragg光栅(FBG)表面式应变传感器,对大桥左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测。对裂缝存在区域的20个监测断面进行近一年的监测结果表明,对温度(测量记录最大温差6.4℃)进行补偿后,光纤Bragg光栅应变传感器的应变在正常范围内,表明在监测期桥梁结构稳定无异常变化。     

光纤布拉格光栅传感器与基于应变模态理论的结构损伤识别

介绍了光纤布拉格光栅传感器和应变模态理论的基本原理，综述了应变模态理论用于结构损伤识别的研究现状，由于基于应变模态理论的结构损伤识别受到传统应变检测手段的制约，因此，寻求一种高精度应变检测手段已成为应变模态理论用于现场结构损伤识别的前提，根据光纤光栅所具有的高工绝对测量、准分布工数字测量、抗电磁干扰、构造简单、使用方便等诸多优点，提出用具有高精度的光纤光栅应变检测技术代替传统的应变片测量技术，并分析了其可行性。     

基于布拉格光纤光栅的碳纤维壁板损伤监测研究

针对大型的碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,提出使用光纤布拉格光栅测量结构应变场分布,通过神经网络判别结构损伤的方法,对典型的飞机碳纤维复合材料盒段壁板结构进行健康监测研究。研究了损伤对机翼盒段壁板结构应变场的影响,研究结果表明,光纤布拉格光栅作为传感器可以较好地应用于航空材料的结构健康监测中,采用神经网络的判别方法可以较准确地判别出结构损伤的位置和程度。     

用于船舶结构监测的大量程光纤布拉格光栅应变传感器

平板结构的贴片式光纤光栅传感器应变测量范围较小,难以满足船舶结构健康监测中的应变测量要求。本文采用不锈钢材质,设计了一种采用环形平面弹簧和平板复合结构的贴片式传感器,通过环形平面弹簧结构将复合结构的大应变转化为光栅的小应变,降低被测物体与光栅之间的应变耦合系数,实现了大应变测量。理论分析了复合结构的传感原理,通过有限元方法仿真了该结构的应力分布,结果证明了该结构能够实现大应变测量。将传感器胶粘在特种钢试件上进行了载荷试验,试验结果表明:该复合结构传感器的量程大于20 000με,且线性度较好,相关系数大于0.99。另外,设计的传感器体积较小,便于安装,能较好地解决船舶结构健康监测中的大应变测量问题。     

应变式传感器及对接触网参数的测量研究

采用应变式传感器对准高速铁路接触网的动态应变量参数进行测量,分析了传感器的工作原理、温度补偿措施及动态测量误差,介绍了传感器的现场安装方法、测量系统的结构和光纤高低电压隔离信号传输方式,并得到了准高速下接触导线的应变测量曲线。     

超低温宽温域环境下FBG传感器应变标定方法

在某超低温风洞结构健康监测的工程中,光纤光栅传感器被用来实时监测风洞洞体结构变形,然而超低温及宽温域的环境会极大地影响应变测量精度。为解决光纤光栅传感器在-196℃至常温范围的应变测量的温度影响,进一步提高测量精度,提出了一种超低温宽温域环境下的光纤布拉格光栅(fiber-optic Bragg grating,简称FBG)传感器应变灵敏度系数标定方法。该方法通过一套超低温宽温域标定系统对FBG传感器在-196℃～20℃的多个温度点的应变灵敏度系数进行了试验测量,利用该标定结果修正超低温宽温域环境下温度对应变的测量结果,可有效提高光纤光栅传感器的应变测量精度。试验还发现,FBG传感器的应变灵敏度系数呈现出随温度降低而升高的规律,该结论对进一步开展超低温宽温域环境下FBG应变传感器温度补偿研究奠定了基础。     

基于环向应变的燃气管道泄漏监测实验研究

燃气管道由于其功能的特殊以及深埋于地下或海底的环境,如果泄漏将引起灾难性的后果。泄漏引起的负压波会导致管道内压降低,进而引起管道环向应变减小。提出一种利用光纤光栅应变传感器测量管道环向应变,对管道泄漏进行无损监测的方法。利用准分布式安装在燃气管道模型主线以及支线上的光纤光栅应变传感器（fiber Bragg grating,简称FBG）进行多种泄漏工况模拟试验,包括不同位置泄漏、支线泄漏和模拟调泵。试验结果表明,光纤光栅应变传感器能够迅速准确地监测到管道的泄漏信号,这种基于环向应变监测的管道泄漏监测方法是可行的,具有很大的发展前景。     

传统光学显微镜与近场光学显微镜

近场光学显微镜是对于常规光学显微镜的革命。它不用光学透镜成像 ,而用探针的针尖在样品表面上方扫描获得样品表面的信息。分析了传统光学显微镜与近场光学显微镜成像原理的物理本质和两种显微镜系统结构的异同点。介绍了光纤探针的制作方法。重点讨论了近场探测原理、光学隧道效应及非辐射场的性质     

LAMOST光纤定位单元检测装置

介绍LAMOST光纤定位单元定位精度检测装置的工作原理及结构。该装置利用“光重心法”检测光纤端部出射光斑的特征点以获得定位单元上光纤端部的位置 ,采用光栅和线阵CCD传感器实现二维图象扫描检测。     

应用于定位的光纤振动传感技术的发展现状

利用光纤作为传感器提取沿途振动信号,通过对检测信号的处理和分析,可有效地检测和定位发生的故障或入侵行为等。分布式光纤振动传感器利用光波在光纤中传输时相位、偏振等对振动的敏感特性,连续实时地监测光纤附近的振动,并能够定位预防事故,有较好的应用前景。根据传感原理,分布式光纤振动传感技术可分为基于干涉原理和基于后向散射探测技术两类。该文主要从以上两个方面综述分布式振动传感器的主要技术和发展动态。     

温度自补偿高灵敏度非本征光纤珐珀横向负载传感器

为了提高光纤EFPI传感器的灵敏度,提出了一种新型EFPI传感结构,并对其温度特性以及横向负载特性进行了研究。首先,介绍了采用端面镀钯金膜的光纤EFPI传感器的结构及其制作方法;接着,建立了镀钯金膜光纤EFPI的温度传感模型,并通过Solidworks、Hypermesh与有限元分析软件ANSYS联合仿真,对它在不同受压力下进行理论模拟,获得了腔长变化与压力之间的关系;最后,对传统的光纤EFPI与镀钯金膜光纤EFPI的温度和横向负载特性进行了对比试验。试验结果表明,镀钯金膜光纤EFPI的温度灵敏度为6.083pm/℃,具有温度自补偿特性;它对横向负载的检测灵敏度可达40.83m/g,相对于传统的光纤EFPI横向负载的灵敏度提高了2.10倍。实验结果与理论分析相符合,为实际制作具有温度自补偿的高灵敏度光纤EFPI传感器提供了理论与实验依据。     

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。     

基于断裂机理的板级电路光纤埋入结构设计

板级光电互联中,光纤埋入结构的设计既要保证光路地对准,又要保证光纤在层压工艺过程中不被破坏,这大大增加了PCB制造的难度。针对光纤埋入工艺过程中可能出现的问题进行分析研究,设计一种新的光纤埋入结构。对光纤埋入工艺与光纤断裂机理进行理论分析;基于有限元理论建立光纤埋入结构的仿真模型,对光纤埋入工艺进行数值模拟分析。结果表明,填充环氧树脂胶可降低层压过程中光纤所受最大应力,并且刻槽形状对光纤所受最大应力也有影响。设计一种新的槽型结构并对它进行了光纤埋入过程中的应力分析,研究光纤所受最大应力与槽底角度和侧壁间距的关系,并结合工程实际,分析了光纤尺寸公差和划片机加工精度对其应力的影响。研究表明,该板级电路光纤埋入结构设计在保证光路对准的基础上,制造过程中光纤所受的最大应力明显降低,具有较好的可加工性。     

单光学谐振器感应透明现象的窄带透射峰

基于光学谐振器结构的感应透明现象通常是利用双光学谐振器产生的,但由于谐振器间易失谐,因此感应透明现象难以稳定。本文研究利用单光学谐振器实现稳定的感应透明现象,并获得透过率大、带宽窄的透射峰。首先建立单光学谐振器自干涉结构,利用传输矩阵理论讨论该结构的透射谱,研究结构参数对透射谱的影响,实验上,基于理论结果选择适当的结构参数,利用单模光纤制作单光学谐振器自干涉结构,建立实验系统测量结构的透射谱,最后讨论了该结构的应用。实验结果表明:利用基于单光学谐振器感应透明现象可获得带宽很窄的透射峰,峰值透过率为0.62,透射峰带宽为0.54 MHz,透射峰带宽与波导长度乘积为6.48 MHz·m。基于单光学谐振器感应透明现象的窄带透射峰可用于窄带滤波、光学信息处理、高精度光学参量测量及检测等。     

ZnO镀膜光纤传感器压电层反射系数

介绍了ZnO镀膜光纤的几何结构,分析了此几何结构压电声光振荡的基本原理,给出了ZnO镀膜光纤传感器的等效网络模型,根据此模型推出了压电层反射系数S11,并按实际参数进行了计算机模拟计算。     

Long-distance fiber-optic quantum key distribution using superconducting detectors

This paper presents the results of experimental studies on quantum key distribution in optical fiber using superconducting detectors. Key generation was obtained on an experimental setup based on a self-compensation optical circuit with an optical fiber length of 101.1 km. It was first shown that photon polarization encoding can be used for quantum key distribution in optical fiber over a distance in excess of 300 km.     

增益平坦的多波长泵浦宽带拉曼光纤放大器

在分析拉曼光纤放大器(RFA)原理的基础上,采用遗传算法对 5波长后向泵浦拉曼光纤放大器的波长和功率进行了优化设计。实验采用位于5个波长处的7个泵浦激光器和100.8 km的色散位移光纤,实现了带宽为90 nm、开关增益为15.55 dB、增益平坦度为0.87 dB的拉曼放大,其平均有效噪声系数为-3.5 dB,与理论分析结果一致。