基于光频域反射技术的雪花形钢板桩抗拔试验研究

利用光频域反射技术,开展了雪花形钢板桩抗拔模型试验,获得了钢板桩在上拔过程中桩身不同处的应变和不同距离处的土体水平位移。试验结果表明:光频域反射技术能够准确监测雪花形钢板桩上拔过程中桩身的变形特征,揭示桩身不同处的变形规律;雪花形钢板桩在上拔过程中桩身不同位置应变大小和波动不同,在腹板与腹板交界处最小,翼缘边处最大;结果显示雪花形钢板桩在上拔过程中,桩周土体水平位移随上拔荷载的增大而增大,距模型桩200 mm处土体水平位移约为100 mm处的19.15%。

基于光频域反射技术的破碎带盾构隧道管片监测研究

为探究盾构施工过程中不同地质条件与注浆作用对盾构隧道管片变形的影响规律,依托地质条件复杂的珠江三角洲某盾构隧道工程,采用在空间分辨率及传感精度方面具有显著优势的光频域反射(OFDR)分布式光纤传感技术,进行不同空间位置与不同地质条件下隧道管片的监测研究。其中,监测环选取位于破碎带外的1 529环、1 538环及破碎带内的1 551环,传感光纤沿隧道管片钢筋笼纵筋布设。研究表明:1)注浆对隧道管片的变形影响十分显著,同步注浆后管片发生的变形是二次注浆后管片变形的3倍。2)不同地质条件下管片变形差异性明显,破碎带内管片相对于破碎带外管片的变形较大且不稳定;当隧道管片进入到完整的岩层内部,管片变形相对稳定。3)破碎带内的管片变形是破碎带外的管片变形的2.6倍。

基于光频域反射技术的采动裂隙演化规律及应用研究

为研究深部煤层综采工作面采动卸压覆岩裂隙演化规律,以芦岭煤矿Ⅲ1022综采工作面为工程背景,采用光频域反射技术(OFDR)分析相似模拟试验采动覆岩裂隙演化全过程,结合现场瓦斯抽采情况及光纤监测结果,对采场裂隙时空演化规律进行研究。研究结果表明:工作面回采过程中,采空区覆岩水平方向光纤拉应变曲线呈左、右两峰,两峰间距表征覆岩实际垮落宽度,两峰峰值处为工作面两侧采动破断线。垂直方向受超前支承压力影响,工作面前方出现压应力集中区域,光纤压应变曲线呈台阶递减状态,采空区顶底板皆出现拉应变凸峰。工作面上隅角风排瓦斯浓度、1#定向钻场拦截孔、5#地面井的卸压瓦斯抽采情况,反演了工作面采动裂隙的演化特征,结合现场光纤监测试验,判断采场覆岩裂隙带发育高度为77.5 m,覆岩裂隙发育层位已至8、9煤层。研究结果为工作面开采工艺设计、邻近层瓦斯运移、抽采的钻孔设计、瓦斯治理等提供理论基础,对矿井安全高效生产起明显促进作用。

基于光频域反射技术的超弱反射光纤光栅传感技术研究

光纤光栅传感技术近年来的快速发展对复用容量和空间分辨率提出了更高的要求。采用超弱反射光纤光栅（FBG）结合光频域反射技术（OFDR）,实现了大容量、高空间分辨率的准分布式光纤光栅传感网络的解调。通过对拍频信号分离的优化和非线性矫正,利用拍频信号的频谱信息,实现了高空间分辨率的光纤光栅位置信息的提取,并进行各个光栅拍频信号时域上的分离,再结合希尔伯特变换还原光栅的反射光谱信息,实现光栅的波长解调。实现了单根光纤上200个间隔为20 mm、中心波长为1552.8 nm、反射率仅为0.1%的全同超弱反射光纤光栅的解调。实验结果表明,在-10℃~80℃的温度范围内,各个光栅的中心波长随温度变化的线性度达到99.6%以上。

基于光频域反射仪的应变实时监测系统(特邀)

在分布式光纤传感技术中,光频域反射仪(optical frequency-domain reflectometry,OFDR)凭借高空间分辨率及高灵敏度等特点,在测量应力和温度等物理量测量方面有很大优势。结合弱反射光纤光栅阵列搭建了一套OFDR分布式传感系统,并使用可视化编程平台实现了数据的采集和处理,最终能够实时显示弱反射光纤光栅阵列中任一点的应变或温度测量结果。实验结果显示,所搭建的分布式传感系统具备0.08 mm空间分辨率,6.9με的应变测量精度,1 Hz应变测量刷新率的测量能力,具备分布式动态应变实时监测的能力。在石油化工和航空航天等需要高空间分辨率和实时动态应变感知能力的领域,所研制的分布式光纤应变传感系统将拥有广阔的应用前景。

基于光频域反射技术的增材制造聚乳酸酯温度分布特征研究

增材制造(AM)技术依据数字化模型,将材料以逐层铺叠的方式制成产品。在逐层铺叠过程中,模型内部不同位置的温度变化较为复杂,为了监测增材制造过程中层叠结构打印模型内部不同位置的温度变化,本研究利用光频域反射技术(OFDR),将分布式光纤嵌入聚乳酸酯(PLA)材料模型内部,实现了对打印过程中任一时刻材料模型内部不同位置的温度变化的监测,同时考虑填充密度对模型温度变化的影响,设置填充密度分别为20%、40%、60%、80%、100%。结果表明,在打印过程中,模型在同一密度下不同位置点的内部温度变化量趋于一致,温度变化量范围为20~40℃;根据不同填充密度下模型的温度变化量曲线,将打印过程划分为5个典型阶段,包括光纤嵌入阶段、温度检测孔洞封装阶段、模型填充封装阶段、模型封顶阶段、模型温度回归阶段。分析模型填充封装阶段最高峰值点和模型封顶阶段完成点的温度变化量,发现100%填充密度下AM过程中模型核心最大温度较20%填充密度下高15℃,而且随着模型填充密度的增大,打印材料对温度消散的阻碍作用增强。

光频域分析光纤压力传感技术研究

本研究结合增材制造制备OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)分布式压力传感器,考虑填充密度对打印模型应变变化的影响并对OFDR分布式压力传感器进行室内标定试验。结果表明:(1)在打印过程中,模型同一密度不同位置点的内部温度变化量趋于一致。(2)随着模型填充密度的增加,压力传感器的灵敏度呈减小趋势。当填充密度分别为20%、40%、60%、80%、100%时,对应的传感器量程分别为4.00 MPa、8.80 MPa、11.88 MPa、7.92 MPa、3.828 MPa,传感器的灵敏度依次为0.269με/kPa、0.203με/kPa、0.165με/kPa、0.149με/kPa、0.101με/kPa。(3)压力传感器的应变变化量与加载的应力变化具有良好的线性关系,聚乳酸脂打印耗材的弹性恢复能力表现良好。因此,将光频域分布式光纤嵌入到增材制造的模型内部制作而成的压力传感器,不但克服了一些传统的传感器易受电磁干扰、传感参数调节不灵活、制作流程复杂等缺点,而且缩短了传感器的研发和生产周期,降低生产成本。

基于光纤传感技术的裂缝宽度监测方法

文中建立一种基于光频域反射(optical frequency domain reflection,OFDR)技术的裂缝宽度计算方法,可依据已知的光纤裂缝夹角,利用光纤测试位置-度计算精度影响,发现OFDR技术可实现毫米级裂缝监测与定位,较薄的黏接层及较大的裂缝夹角可提高裂缝识别灵敏度,而较窄的黏贴带可提高裂缝宽度计算准确性,并研究了在特定黏贴情况下的最优积分长度取值。

高性能光频域分布式光纤测试与传感技术研究进展

光频域反射(OFDR)是一种基于光调频连续波原理的分布式光纤测量技术,它利用扫频光干涉信号频率与光纤位置之间的傅里叶变换关系获取沿光纤分布的散射/反射/损耗、相位和偏振等特征信息,可进一步反演光纤感测的温度、应力/应变等外界物理场分布。相比于时域、相干域等分布式测量技术,OFDR的优点是可兼顾高空间分辨率、高测量灵敏度、长测量距离、大动态范围、高速响应等性能。回顾了OFDR的测量原理,综述了分布式测量噪声来源、空间点扩展函数退化机理以及测量误差与噪声抑制等OFDR性能提升关键技术;推导了基于OFDR分布式传感的测量极限,分析了提升传感精度与测量距离的若干方法;概述了国内外OFDR仪器发展现状及其在集成波导器件与保偏光纤等测试、光纤陀螺环内部应力传感等应用范例,最后展望了未来的若干研究方向。

基于大规模光栅阵列光纤的分布式传感技术及应用综述

光纤布拉格光栅传感技术因其具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小及易复用等特性而广泛应用于恶劣环境的温度、应变及振动等物理量检测。基于在线光纤拉丝塔的大规模光栅阵列光纤制备方法的实现,突破了传统光纤光栅分布式传感技术受限于机械强度和制备工艺复杂的限制,大大拓展了其在分布式传感领域的应用。本文系统地介绍了大规模光栅阵列光纤的制备、分布式解调方法与应用进展,从大规模光栅阵列光纤的在线制备技术,以及基于该阵列光纤的分布式传感解调技术,包括准静态波长解调技术、高速波长解调技术以及增强型动态相位解调技术等,特别关注解调速度、空间分辨率、复用容量等关键技术及传感性能。同时还介绍了基于大规模光栅阵列光纤的应用包括温度、应变分布式的准静态应用领域,以及振动分布式的相位动态应用领域等,包括大型建筑、机械、航空航天、石油化工等诸多领域的安全监测、故障诊断等工程应用方面。

基于光频域反射差分相位解调的分布式折射率传感

提出一种基于光频域反射(OFDR)差分相位解调的拉锥光纤分布式折射率传感方法。首先,理论分析了差分相位解调方法的原理并仿真计算了相位随外界折射率变化的灵敏度特性。实验中利用平均去噪与小波平滑实现了340μm传感空间分辨率的分布式折射率传感解调,其中有效传感区域的长度为45 mm,相位与外界折射率变化的线性拟合度为0.997,各折射率下的最大标准差为0.0067 rad,灵敏度为1328.6 rad/RIU,接近仿真结果 1483.7 rad/RIU。与互相关解调方法相比,差分相位解调方法的线性拟合度与标准差均较优,且传感空间分辨率提升了10倍。这种基于差分相位的解调方式为实现微米级分布式生物传感提供了思路。

分布式光纤传感技术在蜗壳模型试验中的应用

分布式光纤传感器与传统应变片和光纤光栅传感器相比,具有分布式测量的显著特点,成为传感器领域的研究热点。随着技术的进步,基于瑞利散射的光频域反射技术(OFDR)得到了迅速的发展。该文介绍了OFDR的测量原理,并将分布式光纤传感器应用于蜗壳模型试验中。为检验蜗壳充水后的变形规律,检查蜗壳和混凝土的整体安全性和设计的合理性,对蜗壳试验过程中外围混凝土应变进行监测。通过分布式光纤传感器在每级水压加载下产生的应变,获得蜗壳模型外部变形以及裂缝发展的情况。实验结果表明,分布式光纤传感器能够真实地反应结构物的应变分布,及时准确地监测蜗壳模型在加压作用下混凝土变形及开裂情况,对结构的损伤进行识别。

桩基静载过程中OFDR温度补偿试验研究

桩基静载试验是一种准确、可靠的桩基承载力测试试验,通过静载试验中桩身变形的测试,有利于分析桩基变形和承载特性.在桩基静载试验过程中,采用光频域反射(OFDR)技术开展桩基变形测试,考虑到温度的影响,对OFDR技术测得应变结果进行了温度补偿.结果显示:在本次试验中,用于温度补偿的温度传感光纤应变值随着桩顶上部加载出现了较大的变化,其原因是光纤传感器与钢筋笼之间绑扎过于紧密.对比进行温度补偿和不进行温度补偿的桩身应变数据,发现不做温度补偿造成的影响不能忽略,因此应变传感光纤测试结果必须进行温度补偿.研究结果可为桩基变形高精度监测提供科学参考.

等强度梁表面应变分布光纤测量实验

基于光频域反射技术(OFDR)原理的分布式光纤测量技术,研究聚酰亚胺光纤在等强度梁表面不同布线方式下测量应变的准确性。聚酰亚胺光纤分别与梁的长度方向平行、垂直、呈45°角及绕成直径为φ50 mm的圆粘贴,测量梁表面应变分布,测量结果同时与应变片及理论值对比,研究光纤在非轴向应力作用和弯曲下的轴向应变分布测量结果,误差小于1%。实验结果表明,基于OFDR原理的光纤技术可实现结构表面应变分布式连续准确测量。

土体温度光纤精细化监测室内试验研究

传统温度传感器在测量地下土体温度时存在耐腐蚀性差、易受电磁干扰、易被破坏等不足,难以准确和全面地掌握土体温度的长期变化。通过对比分析常用的几种分布式光纤测温技术,提出采用光频域反射技术来监测地下土体温度。根据光频域反射技术高精度和高空间分辨率的特征,给出了土体温度光纤精细化监测的布设方案和监测数据的分析思路。为了验证光频域反射技术在土体温度监测方面的优势和可行性,开展了土体温度室内模拟监测试验,设计出了一套土体温度光纤精细化测温装置,采用光频域反射技术对不同容器内的土体和水体温度进行监测,掌握了土体和水体温度的变化情况,并与传统测温方法进行了对比,结果表明,光纤测得的土体温度结果与传统方法得到的结果基本一致,但光纤测温可以实现分布式测量,相对于传统方法优势显著,对于土体温度精细化测量而言,取得了良好的成果。

散射增强微结构光纤及其分布式传感技术研究进展

分布式光纤传感器以光纤作为传输和传感融合的介质,具有高灵敏、全分布、大尺度、高分辨的独特优势,近年来受到多个应用领域研究人员的关注并逐步进入产业化。然而,现有普通单模光纤在传感信噪比与稳定性等方面仍存在局限性。以散射增强微结构特种光纤为传感载体,研究其分布式传感增效机理,介绍了其自动化、高效率刻写制备技术,并重点阐述了其分布式光纤传感技术研究进展与相关应用。进一步对散射增强微结构传感光纤的未来发展潜力及应用方向进行了展望。

基于OFDR技术的分布式光纤-砂土界面耦合性试验与评价模型研究

光纤与砂土界面的耦合性研究对于促进光纤传感技术在岩土体监测中的应用具有重要意义。为了解光纤与土体间的作用机制,提出一种评价纤土界面耦合性的新型弹塑性模型,采用光频域反射技术开展考虑含水率、光纤种类、拉拔速率、上覆荷载等因素的室内精细化光纤拉拔试验。研究结果表明:该模型计算简便且可准确描述光纤与土体之间的耦合过程;获得光纤监测土体变形失效的临界应变参考值;模型中的耦合系数ζ可有效评价纤土耦合性能。模型参数灵敏度分析进一步明确光纤-土体相互作用机制,为分布式光纤在土体监测中的应用提供重要参考依据。

高功率光纤激光器纤芯温度在线测量技术及其应用研究进展

高功率光纤激光器中的热效应是影响激光器稳定运行的重要因素。为了增加高功率光纤激光器的稳定性,对高功率光纤激光器的纤芯温度进行测量至关重要。本文首先介绍了利用光纤光栅与光频域反射技术测量增益光纤纤芯温度的方法,分析了不同光纤激光器与放大器纤芯温度分布的测量结果。而后介绍了纤芯温度分布式在线测量方法在高功率光纤激光器热效应与非线性效应调控等方面的应用,为高功率光纤激光器性能提升研究提供了参考。

OFDR分布式光纤温度/应变/形状传感研究进展

基于瑞利散射的光频域反射技术(OFDR)因其高空间分辨率和高灵敏度等优点,在航空航天、健康医疗和高精密仪器检测等领域受到广泛关注。OFDR技术因光纤中瑞利信号弱和光源非线性调谐等问题,限制了其空间分辨率和传感距离等性能的提升。针对此问题,论述了OFDR传感原理,介绍了提升OFDR性能的光纤后处理和数据后处理2种方法,重点介绍了紫外曝光和飞秒激光后处理方法制备瑞利散射增强型光纤,并利用瑞利散射增强型光纤结合后处理算法,实现了温度、应变和三维形状传感。

基于OFDR裸光纤表面粘贴式应变传递的分析及试验研究

分析了光纤传感器应变传递率的影响因素,进行了粘贴式光纤传感器等强度梁试验。光纤传感器监测结构材料中应变分布的能力取决于材料与光纤之间的键合特性。取粘贴长度和胶体剪切模量两个参数,研究了分布式光纤传感器应变传递的顶端效应。结果表明:延长粘贴的光纤长度或提高胶体的剪切模量,可以使高应变传递段加长。工程应用中应选用剪切模量高的胶黏剂,粘贴长度应在粘贴测量段两端多粘贴5 cm,以保证测量段可以得到相对精确的应变结果。