基于超弱光纤光栅的声波传感探头增敏方法研究

针对光纤直接探测声波时灵敏度低的问题,提出一种超弱光纤光栅缠绕式薄壁圆筒的声波传感探头增敏方法。理论分析了薄壁圆筒半径、壁厚、弹性模量等参数对光纤探头声增敏的影响,仿真分析了光纤缠绕方式对探头谐振频率的影响,优化设计了弹性管式探头的结构。搭建了基于超弱光纤光栅声波传感系统,并对探头的声敏特性进行了测试。实验结果显示,探头的声压灵敏度最高可达到6.39746 rad/Pa(-103.8798 dB re rad/μPa),在1000~2000 Hz的平均声压灵敏度为3.30341 rad/Pa(-109.6208 dB re rad/μPa);相较于未增敏的裸光纤,探头的平均声压灵敏度提高了约31 dB。

钻孔压灌桩的超弱光纤光栅应变场监测方法

提出了一种在长螺旋钻孔压灌桩中引入超弱光纤光栅的应变场监测方法。分析了超弱光纤光栅多点应变传感原理,设计了一种定点式标距1 m的超弱光纤光栅光缆,对灵敏度进行了标定,在10000με范围内的平均应变灵敏度为1.15 pm/με。在广州市有轨电车试验桩项目中,采用预拉力方式将光缆与钢筋笼结合后埋设,经过28天固化后对多根长螺旋钻孔压灌桩进行了静载测试和分析。试验表明,超弱光纤光栅传感系统工作频率1 Hz,应变精度1可实现对桩基应变场的多点、大量程、高精度的线性监测,验证了超弱光纤光栅传感器在桩基监测中的可行性。

基于超弱光纤光栅的LAMOST内部温度监测方法

针对大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)观测过程中内部空间温度场扰动的问题,提出了一种基于超弱光纤光栅的空间温度监测方法。理论分析了单涂层超弱光纤光栅传感器的感温原理,设计了一种免应力的超弱光纤光栅感温光缆,对光缆的温度特性进行标定,灵敏度约为10.8 pm/℃,在-20~50℃范围内线性度优于0.9997。将23个间距1 m的铠装光栅光缆沿LAMOST的M B反射镜及廊道布设,实时监测内部温度的变化,监测结果反映了M B反射镜前温度梯度的变化过程,以及观测行为及外部环境对镜筒温度分布的影响,为分析大型光学望远镜内部的温度场提供了参考。

基于超弱光纤光栅阵列的地表位移监测方法

为了满足采煤沉陷区地表位移精准监测的需要,提出1种基于超弱光纤光栅(uwFBG)阵列的浅层土体位移监测方法。设计1种标距为4 m的uwFBG应变光缆并对其进行适用性分析,该光缆应变灵敏度为1.14 pm/με,迟滞性实验误差小于0.1%。结合自主开发的uwFBG解调装置,构建uwFBG的位移自动化监测系统,并应用于重庆市北碚区天府镇某采煤沉陷区的监测。研究结果表明:浅层土体经过自然沉降和温差补偿后,关键区域在2个月内的累计位移变化约为2 mm,与监测点GNSS(全球导航卫星系统)测量结果吻合,验证了超弱光栅阵列地表位移监测方法的可行性。

一种超弱光纤光栅的模块化解调系统

提出了一种超弱光纤光栅的模块化多通道解调系统,分析了该解调系统的工作原理,探讨了同波长光纤光栅的空间分辨率、反射率与光栅数量的关系。采用嵌入式电路对250 MSPS的高速A/D进行采集和缓存,配合C#上位机软件完成光栅阵列的定位、波长分析和处理,实现了4通道传感阵列的实时解调。该解调系统功耗低于13 W,体积230 mm×170 mm×40 mm,同波长光栅数量约5000个,多波长光栅数量达到13232个,空间分辨率2 m,单通道感测距离大于10 km,实现了超弱光纤光栅的大容量感测。

基于超弱光纤光栅的双芯带状柔性测斜光缆研究

针对土木工程测斜传感器对柔性、灵敏度的需求,提出了一种基于超弱光纤光栅的双芯带状测斜光缆。基于切角递推的形变反演理论,建立了中心波长偏移量与光缆倾角的柔性测斜模型,通过仿真软件分析了光缆结构对传感器灵敏度的影响。基于仿真结果制备出双芯带状测斜光缆并进行了测试。结果表明,该光缆的测斜精度为182 pm/(°),实测倾角的最大相对误差为8.28%,应变传递效率约为裸光纤的88%,温度补偿误差小于4%。双芯带状测斜光缆克服了热加工中材料收缩对光纤的损伤,降低了现场环境温度的影响,实现了较高的测斜精度,在大尺度、高灵敏度的柔性测斜领域中具有广阔的应用前景。

基于超弱光纤布拉格光栅的声速测量方法

利用超弱光纤布拉格光栅对振动的敏感特性,提出了一种基于分布式光纤声学传感的声速测量方法。通过测量声速传递过程中不同超弱光纤布拉格光栅传感器接收到声音信号的时差来计算声速。该方法可以测量不同温度下的声速,其测量值与理论值误差小于0.5%。为声速测量提供了新的方法。

一种超弱光纤光栅阵列的定位方法

光栅定位是大规模超弱光纤光栅阵列制备及铺设质量检测的关键技术之一。针对传统光时域反射仪定位超弱光栅时存在的问题,提出了一种超弱光栅阵列的相位-强度二维定位方法。该方法采用光栅时域反射技术查询阵列中的单体光栅,通过调节选择脉冲和入射脉冲之间的相位差,捕捉反射信号的光强峰值,实现对目标光栅的准确定位。构建了超弱光栅阵列的定位系统,对1009个平均反射率-34 d B、间隔2.5 m的超弱光栅阵列进行了定位实验,定位误差小于10 cm。

基于超弱光栅阵列的管道泄漏监测研究

针对长距离输水管道泄漏安全监测问题,采用干涉型分布式超弱光纤光栅阵列振动传感技术,构建一种非侵入式、安全可靠的管道泄漏实时在线监测系统,通过搭建模拟实验测试平台,对不同流速与压强条件下管道泄漏导致的振动信号进行测量和监控,实现不同管道泄漏特征的定性与定量分析。实验结果表明,该系统能够在线监测并及时诊断输水管道泄漏情况,对泄漏测量精度大于99%,且能准确定位管道泄漏位置及其泄漏流量。

基于超弱光栅传感阵列的钻机违法入侵地铁线路识别定位方法

实时监测和及时报警地铁线路上方钻机的违法入侵对地铁安全管理十分重要。分布式光纤传感技术是一种满足长距离、远程实时监测需求的有效手段。为及时发现和定位地铁线路上方钻机违法入侵,超弱光栅传感阵列被用于采集钻机入侵事件引起的分布式振动响应。基于钻机设备发动机的振动信号特征,提出了可实时识别并定位钻机违法入侵的方法。现场试验结果表明,提出方法具有抵抗地面及地下交通荷载干扰的能力,可以及时、准确地识别和定位模拟的钻机违法入侵事件。

CEEMDAN和小波包降噪算法在光纤光栅复用传感网络中的应用

针对被采样的超弱光纤光栅反射光谱中含有干扰噪声的问题,提出一种应用于大容量超弱传感网络的混合组网去噪算法。该算法将具有自适应噪声的完整集成经验模态分解(CEEMDAN)与小波包降噪算法相结合,通过小波包阈值去噪对测量信号进行处理后,将初步处理过的信号进行CEEMDAN;再将分解得到的本征模态函数(IMF)分量和残余分量按照相关系数排列顺序叠加重构,从而获得去噪后的信号。实验结果表明:在4种不同信噪比且连续20次重复性试验的情况下,CEEMDAN与小波包降噪相结合的优化算法的信噪比最大程度可提升3.682 dB,均方根误差最多可降低0.245 dB,相关系数最多可提升0.0353,三大指标均得到明显改善。

大跨越架空输电导线铝部应力分布试验

为了掌握大跨越架空输电导线铝部应力空间分布特性,以JLHA1/G6A-500/280型特强钢芯铝合金导线为研究对象,采用铝股丝表面激光刻槽,内嵌高灵敏、超大复用容量超弱光纤光栅,搭建了大跨越输电导线铝部应力试验平台,研究了不同张力条件下大跨越架空输电导线铝部应力分布规律,建立了大跨越导线实体有限元模型,分析了铝股应力分布特征,并验证了试验结果的正确性。结果表明:导线承受张力作用时,外层铝股和次外层铝股应力不同,外层铝股应力小于次外层铝股应力,导线同层铝股应力基本相同;铝股应力随导线张力的增大呈线性增大趋势,张力每增大1%,铝股应力增大约10%。不同导线张力作用时钢股和铝股应力均呈现环状分层特性,铝股平均应力小于钢股平均应力,铝部和钢股应力比约为3∶7;外层和次外层铝合金股丝应力沿圆周向分布不均匀,建议大跨越导线线型设计时考虑铝股丝分层特性。

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。

光频域反射与超弱光纤布拉格光栅技术的结构监测性能

为研究光频域反射(OFDR)和超弱光纤布拉格光栅(UWFBG)技术在桥梁钢结构中的监测性能,开展了H型钢梁弯曲测量实验。沿钢梁通长布设了四根光纤,在重、轻载工况下进行了钢梁四点加载受弯变形的分布式应变测量实验。结果表明,OFDR和UWFBG技术在钢梁分布式应变测量中均表现出较好的监测性能,相比应变片的测试结果,重载工况下OFDR和UWFBG的平均测量误差分别在3με和2με内,轻载工况下OFDR和UWFBG的平均测量误差分别在2με和1με内。0.9 mm紧套光纤和裸纤的测试结果相同。这表明紧套不会降低光纤的应变传递率。此外,通过实验设计可提高UWFBG技术测量结果的空间分辨率,提高程度取决于布设光纤自身的栅点密度和相邻光纤之间的相对栅点间隔。

基于超弱光纤布拉格光栅的高信噪比分布式振动传感系统

提出了一种基于超弱光纤布拉格光栅的高信噪比(SNR)分布式振动传感系统。该系统用3 dB带宽超过3.4 nm、反射率为10-5的在线制备啁啾光栅阵列作为传感光纤,通过典型双脉冲调制方式和3×3耦合器进行相位解调。为了消除激光器、调制器和光放大器等光学元器件带来的各类噪声干扰,结合最小均方算法和对称探测结构进行自适应滤波。实验结果表明,相比小波去噪算法,本算法能有效降低系统噪声,最大可将1 kHz解调信号的高频本底噪声降低40.1 dB,SNR达到96.5 dB;对于2 km长的传感光纤,系统在1~5 kHz的应变灵敏度可达到13.66 pε/√Hz。

一种改进的高精度光谱寻峰算法研究

针对被采样的超弱光纤光栅(FBG)反射光谱含有干扰噪声的问题,提出一种应用于大容量超弱传感网络的高速寻峰算法。该算法引入权重因子加入到最小二乘拟合算法实现加权最小二乘拟合(WLS)算法,对高斯曲线拟合系数进行优化,定位出中心波长,然后再通过非对称高斯修正(AG)对定位的中心波长进行修正,提出WLS结合AG(WLS-AG)的算法,实现抗噪声干扰高精度寻峰。通过实验,对比分析最小二乘拟合算法、质心算法、WLS算法及文章提出的WLS-AG算法分别在不同噪声下的峰值误差平均值,以及变温环境下误差平均值。实验结果表明,在高信噪比的情况下,WLS-AG算法连续20次重复性实验平均误差<1 pm,在低信噪比的情况下,平均误差约为10 pm;在不同温度下的检测误差在1 pm内,且最为稳定,满足超弱FBG传感系统精度解调的要求。

一种基于对数函数的改进变步长LMS算法研究

为提高超弱光纤光栅反射信号光电检测电路的测量精度,提出一种新的变步长LMS算法去除光电探测器信号中的高斯噪声。针对基于对数函数的变步长LMS(Least Mean Square)算法其步长因子易受噪声干扰,导致其步长因子取值在最优解附近波动的问题。根据高斯白噪声相关性差的特性,使用相关特性改进步长因子的更新公式,降低不相关噪声对稳态误差的影响。通过理论分析和MATLAB软件仿真结果对比分析改进前后收敛速度和稳态误差,本算法在低信噪比条件下稳态误差减小三分之一,收敛速度更快,具有更好的抗噪、滤波性能,有效抑制了超弱光纤光栅反射信号检测的噪声。