提出了一種基于fpga與dsp平臺的光纖布拉格光柵傳感分析儀,將外界參量的變化轉化為光纖布拉格光柵波長的偏移,通過數據采集、過濾雜波、信號波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權波長計算等關鍵步驟來實現波長解調技術,進而完成溫度、應變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實現光纖線路故障分析與定位的功能。實驗結果表明:該系統功耗低、線性度好、波長解調精度與分辨率較高。經過長期測試,系統軟硬件運行穩定可靠。

提出了基于可調激光器和聲光脈沖調制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統,同時利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統的傳輸距離,達到了300km的超長距離傳感。該系統通過前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來補償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統在低于275km長度時獲得了大于15db的優良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號。系統在100,200,250,300km處的靜態應變實驗中,線性度均達到了0.999以上。系統可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長距離遙測中得到廣泛應用。

介紹了光纖布拉格光柵傳感器測溫的基本原理以及一些布拉格光纖的封裝方法,在此基礎之上探討了一種新型的布拉格光纖光柵的封裝方法即用鋼條對布拉格光纖光柵進行封裝,并通過實驗對祼光柵和封裝后光柵的溫度特性進行了研究.實驗采用了恒溫水浴裝置,在25℃至70℃溫度范圍使用了中心波長為1530.5nm的光纖布拉格光柵進行測量.先進行了祼光柵的測量,在光柵封裝之后又進行了測量.實驗結果表明,光纖光柵在封裝之后溫度靈敏度為裸光柵的2.5倍.其線性擬合度達到0.996.

對采用光纖布拉格光柵(fbg)傳感器網絡監測某飛機機翼盒段外加載荷位置信息進行了研究。研究了fbg傳感器網絡中傳感器失效對外加載荷位置識別精度的影響程度;針對傳統fbg傳感器網絡拓撲結構可靠性低的缺點,引入光開關,設計了一種具有更高可靠性的傳感器網絡拓撲結構,并對這兩種網絡結構的可靠性進行了研究。結果表明,新傳感器網絡的可靠性明顯高于傳統傳感器網絡的可靠性。單個傳感器的失效概率不同,兩種傳感器網絡可靠性差別也不同;當單個元器件的失效概率在0.001~0.01之間變動時,若系統允許外加載荷位置識別誤差在5mm內,則新傳感器網絡的失效率降為傳統網絡失效率的50%;若系統允許外加載荷位置識別誤差在10mm內,則新傳感器網絡的失效率至少降低為傳統網絡失效率的12.5%。

根據彈性力學和邊界條件,得出了光纖布拉格光柵(fbg)傳感器應變測量值與基體材料實際應變的關系方程。通過裸光柵直埋基體材料界面傳遞的特征系數,可表征和計算fbg檢測應變與測點實際應變的誤差及修正系數。并對固化于cfrp的fbg變傳感特性進行了實驗研究。結果表明:fbgbragg波長對應變表現出很好的線性和重復性。用電阻應變儀對fbg傳感器應變傳感特性進行實驗對比標定,得出了表征fbg性能的應變傳感靈敏系數。fbg傳感器具有優異的應變傳感特性,為先進智能復合材料的研發與應用提供了依據。

為了實現光纖布拉格光柵(fbg)加速度信號的準確測量,提出了一種新穎的雙懸梁fbg加速度傳感器。設計了傳感器的結構及封裝方法,理論分析了傳感器的工作原理。實驗研究了傳感器的線性響應、溫度響應、共振頻率和方向抗干擾特性,結果表明,傳感器的加速度響應靈敏度為7.81pm/m/s2,相對誤差為2.62%,加速度與波長具有較好的線性關系,線性度為99.8%;在67.5～27.5℃內進行了溫度補償實驗,能有效消除溫度的影響;傳感器具有較好的平坦區和較強的抗干擾能力。

設計了一種基于雙光纖布拉格光柵的新型流速傳感器,它包括雙光纖光柵壓強傳感機構和文丘里管。導出了雙光纖布拉格光柵的波長漂移差與流速的關系。壓強傳感機構中的密閉鋁箔管橫截面兩邊的壓力差導致等腰三角形懸臂梁變形,從而導致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個布拉格光柵的波長漂移差,得到被測流體的流速。雙光纖布拉格光柵通過補償溫度效應,解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。該流速傳感器的動態測量范圍為8～200mm/s。實驗表明,雙光纖布拉格光柵的中心波長隨流速的增加分別向長波和短波方向漂移,而帶寬幾乎不變,實驗和理論符合得較好,該設計方案是切實可行的。

光纖傳感器作為一種線性的測試儀器,應用于巖土工程領域時,較傳統傳感器有更多的優越性和更加廣泛的應用前景。介紹了光纖bragg傳感器的工作原理及應用,并通過混凝土試件的加載試驗,對fbg應變傳感器和電阻應變計量測混凝土的應變測量進行了比較。提出準分布式光纖光柵傳感器在現場應用及實驗室中將得到更加廣泛的應用。

基于光纖布拉格光柵傳感器的基本原理,對在土木工程中的應用作了詳細的闡述;為進一步了解其性能,對布拉格光柵應變傳感器進行了抗電磁干擾、抗零飄、重復性等性能進行測試,并與傳統的電阻應變片做了對比,顯示了令人滿意的效果,為工程健康監測應用指出了廣闊的前景。

基于光纖布拉格光柵傳感模型,提出了一種懸臂梁與波登管相結合的光纖光柵壓強傳感器的組合設計,推導了光纖布拉格光柵中心波長偏移量與壓強之間的解析關系式。理論和實驗結果表明,壓強調諧光纖布拉格波長的靈敏度系數的理論值與實驗值分別為0.2246nm/mpa、0.2218nm/mpa,在0~6mpa測壓范圍內,調諧范圍為1.35nm.

針對纜索局部埋植傳感器測試索力的特殊要求,特制光纖光柵應變傳感器,傳感器封裝保證光纖光柵植入纜索的成活率,減敏結構設計保證纜索索力測試的大應力監測要求。針對應變傳感器與鋼絲的2種連接方式,即傳統的結構膠連接和特制的抱箍機械連接方式進行了張拉性能測試。由標定的傳感器力敏系數可知,在鋼絲產生5000×10-6的應變變化下,光纖光柵實際中心波長變化不超過2900pm,達到了減敏效果,傳感器可以滿足大索力長期測試要求。

光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器

闡述了光纖布拉格光柵的幾種解調方法及實驗原理框圖,并介紹了各種解調方法的優缺點。

提出了一種基于級聯長周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調系統。級聯長周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個線性區監測單個光纖布拉格光柵傳感信號。該系統具有結構簡單、價格低等優點,但易受光源抖動及系統其他不穩定因素等帶來的系統噪聲的影響。為消除系統噪聲帶來的不利影響,對該系統進行了改進。改進系統利用級聯長周期光纖光柵的兩個線性區同時監測兩個光纖布拉格光柵傳感信號。分別用原系統及其改進系統對溫度進行監測,實驗的溫度測量范圍為-70～-115°c。原系統的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進系統的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實驗結果表明改進系統能有效消除系統噪聲,提高系統的精度。

針對裸光纖布拉格光柵應變監測量程或精度有限的問題,提出了一種靈敏度系數可調光纖布拉格光柵應變傳感器的設計方法。理論和實驗研究了該方法在增大光纖布拉格光柵應變監測量程或提高精度方面的性能,并以此研制了基片表面粘貼式和frp封裝式兩種封裝結構的靈敏度系數可調應變傳感器。理論分析并實驗標定了傳感器的靈敏度系數。最后,對傳感器理論和實驗靈敏度系數誤差進行了分析,指出了改進的方向。實驗結果表明:兩種封裝結構的大量程傳感器的量程分別增加了243%和126%,高精度傳感器的精度提高至0.51με和0.52με。傳感器標定實驗表明,兩種封裝結構的傳感器都有很好的線性度和重復性,相關系數達到0.999以上。

基于模態分析理論,對柔性立管模型進行了渦激振動試驗測試技術研究。對立管表面應變片的布置進行了設計,在模型試驗中應用光纖光柵傳感器對立管模型的應變時歷進行了測量,并據此計算得到了柔性立管模型的位移時間歷程和加速度時間歷程。試驗對立管振動的加速度進行了測量,通過兩個加速度時間歷程的相互對比分析及與理論計算結果的對比,驗證了光纖光柵技術進行柔性立管渦激振動試驗的可行性及可靠性。

根據光纖布喇格光柵的光學傳感原理,提出了一種基于懸臂梁及金屬彈性膜片的光纖布喇格光柵沉降傳感器結構,對其傳感特性進行了實驗研究.實驗通過產生水的液位差來模擬地基沉降,分析結果顯示,光纖布喇格光柵中心反射波長漂移對液位差呈現良好的線性關系,線性度高于0.999,靈敏度可達-2.11pm/mm.通過改變懸臂梁厚度和有效長度,可以對傳感器測量范圍和靈敏度進行調整,以滿足各種應用場合.綜合實驗結果,該傳感器在橋梁、鐵路地基等沉降監測方面具有重要意義.

理論分析和模擬計算了少模光纖布拉格光柵基模及高階模的耦合與傳輸特性,得到在相同外部折射率變化情況下,少模光纖基模與高階模耦合對應的布拉格波長變化,比正、反向基模之間耦合對應的布拉格波長變化顯著增大。實驗上制作了少模光纖布拉格光柵,測量了基模之間以及基模與高階模之間對應的布拉格波長隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結果。而對于溫度變化對折射率測量結果干擾的問題,提出了通過計算布拉格波長差來克服溫度影響的方法。這些結果為采用布拉格光纖光柵測量外部折射率變化提供了一種新的途徑。

根據理想模展開下的耦合模方程,對光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進行了數學推導,得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達式。全面討論了光柵周期、光纖柵長、光致折射率微擾最大值等參數與光纖光柵反射光譜的關系。仿真結果顯示了固定參數下布拉格光柵的極限窄帶寬,得到的反射率為1、帶寬為0.02nm的窄帶寬布拉格光柵,比現今分布式傳感系統中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個數量級。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統,可大大提高分布式傳感系統中光源的帶寬利用率,消除各信號間的相互串擾,提高傳感光柵復用數目,降低解調系統成本。

基于光纖光柵傳感技術,采用光纖光柵應變計、光纖光柵溫度計、光纖光柵位移計對一座既有預應力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動載試驗進行了測試;對比分析了傳統傳感技術與光纖光柵傳感技術的測試結果。結果表明:傳統傳感器和光纖傳感器實橋測量結果與計算結果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實際受力狀態;且光纖光柵傳感器可以真實反映加載的整個過程,實現加載過程的實時連續監控。

采用數值模擬的方法研究了光纖布拉格光柵(fbg)的非線性雙穩開關特性。從耦合模理論出發,利用jacobi橢圓函數法得到了3種不同的解,首先對3種解下的非線性雙穩開關特性分別進行比較,然后針對各個解下的影響開關特性的失諧量、耦合系數和光柵長度等參數進行分析,研究結果對于分析和構建非線性雙穩fbg光開關具有一定的意義。

從布拉格光柵方程出發,理論上分析了在溫度、應變雙參量同時測量時,考慮溫度-應變交叉靈敏度、二階應變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應變測量的誤差的一般數學公式.結合實驗數據進行了溫度和應變的誤差計算,得出3個二階靈敏度在不同的溫度變化、應變范圍內對測量誤差的貢獻不同.同時給出了波長的漂移量與溫度、應變呈線性關系時,溫度變化和應變的范圍.