利用支持向量机补偿温度对光纤光栅传感的影响

不同于以往温度、应变与光纤Bragg光栅(FBG)峰值波长偏移量之间的数学模型,本文提出利用支持向量机(SVM,support vector machine)补偿温度的影响,并以FBG压力传感器为例,利用标定的压力传感器数据对SVM模型的惩罚系数C和径向基核函数(RBF)核参数γ进行优化,得到SVM温度补偿模型,选择核参数γ为100、惩罚系数C为16。经过补偿后,压力传感器的零位温度系数和灵敏度温度系数由补偿前的34.5%/℃和34.2%/℃减小到1.7×10-5%/℃和7.7×10-5/%/℃。充分说明,利用SVM补偿温度对FBG压力传感器的影响是有效的。 更多还原     

光纤光栅冰力传感器的开发及应用

根据裸光纤光栅(FBG)对应变的灵敏度远高于对压力的灵敏度这一特点,设计了一种基于等强度梁结构的FBG冰力传感器,并可以通过调节封装构件的尺寸调节其测量压力的灵敏度系数。对传感器的标定结果显示,这种FBG冰力传感器的线性相关度良好,实测的灵敏度系数与理论值一致。该种传感器在冰激桥墩振动模型试验中得到了应用,成功监测了桥墩在不同冰速撞击下受到的冰力。实验表明,这种FBG传感器灵敏度高、可靠性好、对结构自身的影响很小,可直接测量冰的撞击力,适合于模型实验中的冰力监测。     

FBG传感器应变监测温度效应分析

光纤Bragg光栅(FBG)在土木工程健康监测中得到广泛应用。依据光纤光栅Bragg方程,从理论上分析了光纤光栅应变和温度传感的工作原理,阐述了光纤光栅应变和温度双参量共同作用时引起交叉敏感的物理机理;并结合济南奥体中心体育馆钢结构健康监测中应变监测的相关数据,分析了温度效应对应变测量的影响。结果表明:在应变测量中,温度场偏差是影响应变测量误差的主要因素,温度补偿时温度场的选取要保证温度与应变传感器所处温度场一致,一阶温度灵敏度系数对Bragg中心波长漂移的影响几乎是应变灵敏度系数的10倍;但应变和温度的交叉敏感效应及其二阶项效应的影响一般可以忽略。     

具有温度补偿的高精度单参量光纤传感器理论分析

分析了几种具有温度补偿的光纤应变传感器测量应变的误差来源及缺点,由此加以推广,提出了具有温度补偿的高精度单参量光纤传感器的思想,根据椭圆纤芯离双折射光纤的温度,应变,径向压力,静水压力的灵敏度公式和双折射与波长的关系曲线,从理论上证明了具有温度补偿,结构简单,高精度的光纤应变,压力传感器的可行性,并对其优点进行了讨论。     

温度解耦大量程光纤光栅应变传感器

飞机载荷参数测试中,部分结构会产生较大的应变集中点,为解决飞机结构大量程应变监测问题,提出了一种温度增敏、应变减敏的光纤光栅大量程应变传感器。分析了光纤光栅传感理论,设计了一种新型传感器基底结构,并对其进行有限元分析。对封装完成的传感器进行了温度标定、温度重复性及应变标定试验。试验结果表明:在10～60℃的环境下,封装完成的光纤光栅应变传感器温度灵敏度达到44.959 pm/℃,较裸光纤增敏4.5倍,线性度达到0.999;同一温度下中心波长变化量在±4 pm;在0～2000με的条件下,应变灵敏度为0.79 pm/με,较裸光纤减敏1.52倍,线性度达到0.999,多次应变循环重复性为±5 pm。封装完成的传感器具有较好的灵敏度和一致性,能满足飞机结构大量程应变的精确测量,在飞机应变集中结构的监测中具有发展前景。     

温度自补偿的偏心推杆式光纤光栅井下压力计

针对多数光纤光栅压力计不能兼顾大量程和高灵敏度,且温度无法实现自动补偿的问题,本文提出了一种偏心推杆结构,并采用将两支光纤光栅对称粘贴在应变杆上下表面的方法,设计并制作了光纤光栅井下压力计。对压力计传感头部分进行了理论分析和仿真,并对压力计进行了压力标定和温度实验。实验结果表明:此压力计具有良好的线性度和重复性,几乎没有弹性滞后,在0~30 MPa的大量程范围内灵敏度达到了230.8 pm/MPa,并且在20~80℃温度区间内,两光纤光栅中心波长差几乎不变,可见此压力计能够实现温度自动补偿。     

光纤光栅在结构健康监测中的误差分析

光纤光栅传感器已广泛应用在土木结构的应变测量中,但测量的误差是必然存在的。本文研究了传感器在安装过程中产生的误差、光纤信号在传输过程中的损失产生的误差以及温度产生的误差等因素对测量数据的影响程度。结果表明:焊接位置偏差带来的误差较大,同时温度场偏差也是影响应变测量误差的主要因素,必须进行温度补偿,在温度补偿时温度场的选取要保证温度与应变传感器所处温度场一致,当应变和温度变化不是太大时,交叉灵敏度所引起的相对温度和应变误差可以忽略。     

基于平面膜片温度压强同时测量的光纤光栅传感器

提出一种基于膜片的双光纤Bragg光栅实现温度与压强同时区分测量的光纤光栅传感器．分别将光纤Bragg光栅沿膜片的径向和环向粘贴在膜片上,当温度发生变化或者膜片受到压力作用时,都会引起光纤Bragg光栅蜂值波长偏移．由于温度的变化所引起的两栅波长偏移量是相等的,此时两光纤Bmgg光栅波长偏移量之差完全取决于膜片所受的压强,据此可以实现温度与压强的同时区分测量．该传感器线性度很好,可以用来同时区分测量温度在40～110℃,压强在0～6MPa环境中的温度和压强,其温度测量误差不大于1℃,压强测量误差不大于0．2MPa．     

外压式弹性圆筒耐高压光纤光栅压力传感器

设计了一种以金属弹性圆筒为衬底的高压光纤布喇格光栅压力传感器．在温度为16~60℃,压力为0~52MPa的范围内测试了传感器的特性,计算了性能参数及温度修正因子．结果表明,该传感器性能稳定,重复性好,线性调谐范围为4.066nm,压力灵敏度为0.0782nm/MPa,压力解调的波长分辨率为1.56pm．温度修正后压力测量的相对误差由5.2%减小为0.25%．采用双重密封设计,避免了流体或气体的渗漏,通过选择不同弹性模量的材料、内径和壁厚,可调整传感器的量程和灵敏度．     

双轴倾角传感器温度补偿方法

针对倾角传感器中三轴微机电系统（MEMS）加速度计的敏感轴与倾角传感器体坐标系不一致而产生的难以直接获取其温度特性进行温度补偿的问题,提出了一种基于转换矩阵对角元素归一化的温度补偿方法。采用传统的“六位置法”获取用于补偿灵敏度系数不一致和非正交导致误差的转换矩阵以及包含偏置误差的矩阵。相对于常温获取的转换矩阵,对不同温度下的转换矩阵相应对角元素归一化,以获取灵敏度系数温度特性,克服灵敏度系数不一致相关的矩阵与非正交相关的矩阵无法分离的问题,从而实现三轴加速度计灵敏度系数和偏置的温度补偿。在温度为-20℃～50℃条件下的试验结果表明,该方法可有效减小倾角传感器的温度漂移。     

基于S锥结构光纤传感器的研究

针对传统基于S锥结构的光纤传感器存在制作工艺复杂、灵敏度低和温度交叉敏感等问题,本文设计并验证了一种同时测量折射率(refractive index,RI)和温度的新型光纤传感器.传感结构由细芯光纤(thin-core fiber,TCF)上制作的S锥结构和单模光纤(single-mode fiber,SMF)上制作的...     

基于油封方法的光纤FP温度传感器增敏技术研究

为了有效提升二氧化硅基底光纤温度传感器的温度灵敏度特性,通过膨胀辅助放电方法形成端部呈微泡结构的光纤Fabry-Perot温度传感器,并对传感器外表面进行镀铬与金膜处理,然后将传感器密封在一个充满硅油的中空圆柱金属体中.由于微泡结构膜层对外界压强比较敏感,所以通过油封方法可有效地将传感器的压强灵敏度特性转化温度增敏效果.实验结果表明,在30~90℃温度变化范围内,油封前后的传感器温度灵敏度分别为6pm/℃和36pm/℃,表明该方法可实现6倍以上的灵敏度增强效果.本文结果对发展新型高灵敏度光纤温度传感器具有一定的参考价值.     

基于3×3耦合器的光纤光栅温度传感器解调系统

针对光纤光栅的温度应变交叉敏感问题,提出了一种管式光纤光栅温度传感器,使用外径8mm、内径6mm、长9cm的不锈钢管作为材料,制作了只对温度敏感的光纤光栅传感器,实验表明,传感器呈现良好的温度线性,温度灵敏系数为9.72pm/℃,稳定性好。在此基础上,采用了基于3×3耦合器的干涉型光纤光栅温度解调方案,详细的推导了信号解调过程,经过实验验证了解调方法的可行性及稳定性,实验结果表明,温度测量系统在40℃～100℃的测量范围内温度测量误差小于0.1℃,达到了工程应用的要求。     

基于CCD成像解调技术的EFPI传感器

制作了一种非本征型光纤法布里珀罗(EFPI)应变传感器。应变测量结果表明,传感器应变灵敏度为40pm/με,具备良好的线性测量能力(线性度0.999 6)和较小的重复性误差(0.4%)。该传感器结构简单,制作方便,易于得到推广应用。同时,介绍了基于CCD成像的信号解调技术,其既可应用在光纤光栅(FBG)解调系统中,亦可用在光纤法布里珀罗(F-P)信号解调系统中。与F-P解调中常用到的传统光谱仪相比,其具有体积小、成本较低及分辨率高等优势。     

靶式光纤光栅流速传感器在裂隙水模型试验中的应用

结合等强度悬臂梁和光纤Bragg光栅(FBG)设计了靶式FBG流速传感器,用于在线测量管道及裂隙的流场流速。传感器将流体中靶片的受力转化为该流速下对应FBG中心波长的漂移,并自动实现温度补偿。采用FLUENT6.3对被测裂隙及管道流场进行有限元仿真,确定裂隙中靶片受力特性及相同受力条件下的等效管道内径,并求得过流断面5mm×2000mm的裂隙中传感器的灵敏系数为8.71×10-4 s2/m2。在管道系统中进行传感器标定实验,传感器在0～1.20m/s范围内,最大误差为0.02m/s。将该传感器应用于裂隙水模型引流试验,实验结果表明,关键点流速随着进水阀门开度逐渐增大而提高。打开引流管道阀门,引流管道布设处后方各点流速降低,且同一断面流速变化趋势保持一致。     

光纤光学相干膜盒压力传感器设计

设计了一种新型光纤膜盒压力传感器,应用频率扫描光纤相干测距法感知波纹膜片位移量,从而得到压力测量值。设计的压力传感器应用单模光纤空间滤波特性进行测距,实现了对非光滑金属膜片表面的直接测距;压力膜盒通过退火工艺消除焊接产生的残余应力,改善了迟滞特性。实验结果表明,设计的压力传感器不仅比指针式膜盒压力表拥有更高的精度和灵敏度,同时又拥有光纤传感器远距离测量和抗电磁干扰的特点。对其中一种尺寸的压力传感器进行了标定,给出了压力与距离的特性曲线以及零点温度漂移曲线,其迟滞仅为0.2%,非线性度为0.7%。     

基于光纤布拉格光栅的流量测量方法

为了实现液压管路流量测量的需求,提出了一种使用固支梁作为流量转换单元的光纤光栅流量测量方法。为了克服单个光纤布拉格光栅传感器对温度交叉敏感的问题,设计出了一种基于双光纤布拉格光栅的流量测量结构。固支梁由芯杆和套管套合而成,两根光纤布拉格光栅穿过芯杆的凹槽,两端采用耐高温胶固定封装。用有限元软件对管路及传感结构周围的流体进行了模拟分析,同时进行了砝码加载实验、温度实验和液压管路实验。封装后的传感器的载荷响应灵敏度为0.990 7nm/kg和0.881 5nm/kg,两根光纤布拉格光栅对温度的灵敏度几乎一样:0.028 7nm/℃和0.025 9nm/℃,所以可以消除温度对流量测量的影响,由于实验系统的影响,该流量传感器的测量范围为0.001 7～0.6L/s。结果表明,该结构能够有效地消除温度和应变交叉敏感,特殊的封装结构避免了光纤布拉格光栅受流体的腐蚀,对载荷具有较好的线性度和灵敏度。     

压力传感器温度补偿的BP神经网络算法

压阻式压力传感器易受工作温度影响,存在着温度漂移现象.为了提高测量的准确度,采用BP人工神经网络的数据融合处理法对温度漂移进行补偿.分析比较了补偿前后的数据,补偿后的温度灵敏度系数和零位灵敏度系数提高了2个数量级.实验结果表明,该方法有效地抑制了温度对压力传感器的影响,提高了传感器的稳定性和准确性.     

光纤光栅温度传感器应变补偿系统研究

提出采用D-S证据理论融合的多传感器信息融合BP神经网络模型方法,来解决光纤光栅温度传感器的应变补偿问题,即改善光纤光栅的交叉敏感现象。通过程序仿真和实验证实,此方法可以实现对光纤光栅温度传感器的应变补偿,达到光纤光栅温度传感器温度和应变的精确分离,其测量温度误差约为10-2,同时有效地抑制了光纤光栅传感器非线性的影响。     

具有增敏效果的光纤光栅应变传感器的预紧封装及传感特性

为了提高光纤光栅测量应变的精度,在对光纤光栅传感器基底形状进行有限元分析的基础上,设计出了一种具有增敏效果的预紧封装光纤光栅应变传感器,并采用等强度梁对具有增敏效果的基片式光纤光栅传感器进行了测试和标定,得到传感器灵敏度为0.857pm/με,是普通基片式光纤光栅传感器灵敏度的1.18倍。在MTS试验机上进行寿命试验,经10000次重复拉伸疲劳试验后,光纤光栅传感器的光谱并未出现双峰等现象,也没有发生蠕变,抗疲劳性能良好。