光纤布拉格光栅应变传感器炮口初速测试技术

提出了一种基于fpga与dsp平台的光纤布拉格光栅传感分析仪,将外界参量的变化转化为光纤布拉格光栅波长的偏移,通过数据采集、过滤杂波、信号波峰检测、高斯曲线拟合以及加权波长计算等关键步骤来实现波长解调技术,进而完成温度、应变、压力或位移等对象的在线测量,并且可以实现光纤线路故障分析与定位的功能。实验结果表明:该系统功耗低、线性度好、波长解调精度与分辨率较高。经过长期测试,系统软硬件运行稳定可靠。

提出了基于可调激光器和声光脉冲调制的光纤布拉格光栅(fbg)传感系统,同时利用掺铒光纤放大器(edfa)和拉曼放大相结合的放大方案大幅度提高了光纤布拉格光栅传感系统的传输距离,达到了300km的超长距离传感。该系统通过前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源来补偿光纤布拉格光栅反射的光功率。系统在低于275km长度时获得了大于15db的优良信噪比;在300km处获得了4db的信噪比,以及明显的反射信号。系统在100,200,250,300km处的静态应变实验中,线性度均达到了0.999以上。系统可望在铁道、输油(气)管道、海岸线等的超长距离遥测中得到广泛应用。

介绍了光纤布拉格光栅传感器测温的基本原理以及一些布拉格光纤的封装方法,在此基础之上探讨了一种新型的布拉格光纤光栅的封装方法即用钢条对布拉格光纤光栅进行封装,并通过实验对祼光栅和封装后光栅的温度特性进行了研究.实验采用了恒温水浴装置,在25℃至70℃温度范围使用了中心波长为1530.5nm的光纤布拉格光栅进行测量.先进行了祼光栅的测量,在光栅封装之后又进行了测量.实验结果表明,光纤光栅在封装之后温度灵敏度为裸光栅的2.5倍.其线性拟合度达到0.996.

对采用光纤布拉格光栅(fbg)传感器网络监测某飞机机翼盒段外加载荷位置信息进行了研究。研究了fbg传感器网络中传感器失效对外加载荷位置识别精度的影响程度;针对传统fbg传感器网络拓扑结构可靠性低的缺点,引入光开关,设计了一种具有更高可靠性的传感器网络拓扑结构,并对这两种网络结构的可靠性进行了研究。结果表明,新传感器网络的可靠性明显高于传统传感器网络的可靠性。单个传感器的失效概率不同,两种传感器网络可靠性差别也不同;当单个元器件的失效概率在0.001~0.01之间变动时,若系统允许外加载荷位置识别误差在5mm内,则新传感器网络的失效率降为传统网络失效率的50%;若系统允许外加载荷位置识别误差在10mm内,则新传感器网络的失效率至少降低为传统网络失效率的12.5%。

根据弹性力学和边界条件,得出了光纤布拉格光栅(fbg)传感器应变测量值与基体材料实际应变的关系方程。通过裸光栅直埋基体材料界面传递的特征系数,可表征和计算fbg检测应变与测点实际应变的误差及修正系数。并对固化于cfrp的fbg变传感特性进行了实验研究。结果表明:fbgbragg波长对应变表现出很好的线性和重复性。用电阻应变仪对fbg传感器应变传感特性进行实验对比标定,得出了表征fbg性能的应变传感灵敏系数。fbg传感器具有优异的应变传感特性,为先进智能复合材料的研发与应用提供了依据。

为了实现光纤布拉格光栅(fbg)加速度信号的准确测量,提出了一种新颖的双悬梁fbg加速度传感器。设计了传感器的结构及封装方法,理论分析了传感器的工作原理。实验研究了传感器的线性响应、温度响应、共振频率和方向抗干扰特性,结果表明,传感器的加速度响应灵敏度为7.81pm/m/s2,相对误差为2.62%,加速度与波长具有较好的线性关系,线性度为99.8%;在67.5～27.5℃内进行了温度补偿实验,能有效消除温度的影响;传感器具有较好的平坦区和较强的抗干扰能力。

设计了一种基于双光纤布拉格光栅的新型流速传感器,它包括双光纤光栅压强传感机构和文丘里管。导出了双光纤布拉格光栅的波长漂移差与流速的关系。压强传感机构中的密闭铝箔管横截面两边的压力差导致等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布拉格光栅的布拉格波长漂移。通过检测两个布拉格光栅的波长漂移差,得到被测流体的流速。双光纤布拉格光栅通过补偿温度效应,解决了光纤布拉格光栅传感器的交叉敏感问题。该流速传感器的动态测量范围为8～200mm/s。实验表明,双光纤布拉格光栅的中心波长随流速的增加分别向长波和短波方向漂移,而带宽几乎不变,实验和理论符合得较好,该设计方案是切实可行的。

光纤传感器作为一种线性的测试仪器,应用于岩土工程领域时,较传统传感器有更多的优越性和更加广泛的应用前景。介绍了光纤bragg传感器的工作原理及应用,并通过混凝土试件的加载试验,对fbg应变传感器和电阻应变计量测混凝土的应变测量进行了比较。提出准分布式光纤光栅传感器在现场应用及实验室中将得到更加广泛的应用。

基于光纤布拉格光栅传感器的基本原理,对在土木工程中的应用作了详细的阐述;为进一步了解其性能,对布拉格光栅应变传感器进行了抗电磁干扰、抗零飘、重复性等性能进行测试,并与传统的电阻应变片做了对比,显示了令人满意的效果,为工程健康监测应用指出了广阔的前景。

基于光纤布拉格光栅传感模型,提出了一种悬臂梁与波登管相结合的光纤光栅压强传感器的组合设计,推导了光纤布拉格光栅中心波长偏移量与压强之间的解析关系式。理论和实验结果表明,压强调谐光纤布拉格波长的灵敏度系数的理论值与实验值分别为0.2246nm/mpa、0.2218nm/mpa,在0~6mpa测压范围内,调谐范围为1.35nm.

针对缆索局部埋植传感器测试索力的特殊要求,特制光纤光栅应变传感器,传感器封装保证光纤光栅植入缆索的成活率,减敏结构设计保证缆索索力测试的大应力监测要求。针对应变传感器与钢丝的2种连接方式,即传统的结构胶连接和特制的抱箍机械连接方式进行了张拉性能测试。由标定的传感器力敏系数可知,在钢丝产生5000×10-6的应变变化下,光纤光栅实际中心波长变化不超过2900pm,达到了减敏效果,传感器可以满足大索力长期测试要求。

光纤光栅传感器光纤光栅传感器

阐述了光纤布拉格光栅的几种解调方法及实验原理框图,并介绍了各种解调方法的优缺点。

提出了一种基于级联长周期光纤光栅的光纤布拉格光栅解调系统。级联长周期光纤光栅作为边沿滤波器,利用它的一个线性区监测单个光纤布拉格光栅传感信号。该系统具有结构简单、价格低等优点,但易受光源抖动及系统其他不稳定因素等带来的系统噪声的影响。为消除系统噪声带来的不利影响,对该系统进行了改进。改进系统利用级联长周期光纤光栅的两个线性区同时监测两个光纤布拉格光栅传感信号。分别用原系统及其改进系统对温度进行监测,实验的温度测量范围为-70～-115°c。原系统的灵敏度为0.49mv/°c,温度分辨率为0.5°c;改进系统的灵敏度为0.86mv/°c,温度分辨率为0.3°c。实验结果表明改进系统能有效消除系统噪声,提高系统的精度。

针对裸光纤布拉格光栅应变监测量程或精度有限的问题,提出了一种灵敏度系数可调光纤布拉格光栅应变传感器的设计方法。理论和实验研究了该方法在增大光纤布拉格光栅应变监测量程或提高精度方面的性能,并以此研制了基片表面粘贴式和frp封装式两种封装结构的灵敏度系数可调应变传感器。理论分析并实验标定了传感器的灵敏度系数。最后,对传感器理论和实验灵敏度系数误差进行了分析,指出了改进的方向。实验结果表明:两种封装结构的大量程传感器的量程分别增加了243%和126%,高精度传感器的精度提高至0.51με和0.52με。传感器标定实验表明,两种封装结构的传感器都有很好的线性度和重复性,相关系数达到0.999以上。

基于模态分析理论,对柔性立管模型进行了涡激振动试验测试技术研究。对立管表面应变片的布置进行了设计,在模型试验中应用光纤光栅传感器对立管模型的应变时历进行了测量,并据此计算得到了柔性立管模型的位移时间历程和加速度时间历程。试验对立管振动的加速度进行了测量,通过两个加速度时间历程的相互对比分析及与理论计算结果的对比,验证了光纤光栅技术进行柔性立管涡激振动试验的可行性及可靠性。

根据光纤布喇格光栅的光学传感原理,提出了一种基于悬臂梁及金属弹性膜片的光纤布喇格光栅沉降传感器结构,对其传感特性进行了实验研究.实验通过产生水的液位差来模拟地基沉降,分析结果显示,光纤布喇格光栅中心反射波长漂移对液位差呈现良好的线性关系,线性度高于0.999,灵敏度可达-2.11pm/mm.通过改变悬臂梁厚度和有效长度,可以对传感器测量范围和灵敏度进行调整,以满足各种应用场合.综合实验结果,该传感器在桥梁、铁路地基等沉降监测方面具有重要意义.

外界温度变化与光纤应变都会导致光纤布拉格光栅(fbg)的中心波长发生偏移,由此引起fbg传感器在测量时的温度与应变交叉敏感问题。运用人工神经网络理论,建立fbg测量系统的bp神经网络模型,利用matlab的神经网络工具箱,采取含动量项的梯度下降算法对网络进行训练,结果表明收敛速度较快。对训练后的网络进行验证,温度误差最大不超过2%,应变误差最大不超过5%,很好地实现了温度与应变的同时测量。

光纤布拉格光栅(fbg)传感器是智能金属结构首选的信息传输与传感的载体,埋入金属材料内部的fbg传感器必须要经过适当保护,金属镀层是最有效的保护方法之一。fbg经过镀前预处理,通过化学镀方法可获得均匀的金属保护镀层。针对金属保护镀层,应用弹性力学基本原理分析了由于镀层与fbg传感器的热膨胀系数不同而产生的热应力,建立了镀层厚度对fbg温度传感性能影响的数学模型。镀镍fbg的升温和降温传感实验表明,升温时的实际温度灵敏度系数与模型值之间误差为6.22%,降温时的实际温度灵敏度系数与模型值之间误差为6.75%。与裸fbg相比,化学镀镍后的fbg温度灵敏度系数提高1倍多。结果表明该温度模型从理论上解释了镀层金属热应力对fbg起到的温度增敏作用。

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(mnfbg)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(fbg)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对mnfbg折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用optigrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示mnfbg折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400nm的mnfbg灵敏度可达到993nm/riu,相比于包层蚀刻的fbg灵敏度增加了170倍,说明mnfbg对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景.

为了改善镍保护后光纤布拉格光栅(fbg)的高温传感性能,即降低其回程误差,减少其升温与降温灵敏度的差异,本文研究了产生这些现象的原因,认为其主要源于化学镀结合电镀镍过程中的残余应力。讨论了残余应力产生的机理,提出了适用于镍金属保护fbg的热处理方法。三次将金属镍保护后的fbg放置在120℃恒温炉中保温8h后随炉冷却,对热处理前后的镍保护布拉格光纤光栅进行100～300℃的循环温度传感对照实验。结果显示:热处理前回程误差为6.64%,升温与降温灵敏度有较显著差异,且放置半个月后再次进行传感实验其特性也没有改善;热处理后,回程误差降到3.62%,升温灵敏度为22.84pm/℃,降温灵敏度为22.76pm/℃。实验表明,经适当热处理后的镍保护布拉格光纤光栅的实际工作温度可扩展到300℃,且具有较高的传感精度。

提出了基于光纤布拉格光栅(fbg)包层模式的折射率传感方案。实验中,利用不同浓度的丙三醇水溶液作为外界折射率传感溶液,采用氢氟酸溶液化学腐蚀的方法来减小光纤包层的直径以增大包层模式对外界折射率的敏感度,研究了腐蚀后光纤布拉格光栅包层模式的耦合波长对外部折射率的变化关系。实验结果表明在1.3300~1.4584的折射率范围内,包层模式耦合波长随外界折射率增大而增大,在接近光纤包层折射率处具有很高的折射率灵敏度,最大达到了172nm/riu(refractiveindexunit)。而且,包层模谐振的光谱半峰全宽(约0.07nm)仅为布拉格纤芯模谐振光谱半峰全宽的1/4,能够获得更好的传感精度。