玻璃纤维复合材料孔隙的太赫兹光谱特性研究

探索太赫兹波和玻璃纤维复合材料孔隙缺陷的相互作用机理,分析在0.075和0.713 THz频率点时,孔隙率和太赫兹特征参数(折射率、消光系数和透射系数)之间的相互作用关系。实验结果表明:随着孔隙率增加,玻璃纤维复合材料密度降低,折射率呈递减趋势。在频率为0.075 THz时,基于瑞利散射理论,随着孔隙率增加,消光系数下降,透射系数上升;0.713 THz时,基于Mie散射理论,随着孔隙率增加,消光系数上升,透射系数下降。此外,孔隙形貌的复杂多变导致孔隙率与太赫兹特征参数之间存在非唯一对应关系,具有相同孔隙率的不同样本的太赫兹特征参数并不相同。

光纤光栅传感技术在分岔隧道模型中的实验研究

基于光纤光栅测量应变的诸多优势,将自制的光纤光栅传感器模块埋到分岔隧道三维地质力学模型中,在隧道开挖过程中,测量各埋入点的应变,将其与埋入相应点的应变片的测量结果以及数值分析结果进行了比较。结果表明,光纤光栅、应变片测得的结果与数值分析所得的结果趋势基本一致,但光纤光栅实测数据相比应变片测得数据更接近于仿真数据,并且可靠性高,在大型工程的长期监测中有较好的应用前景。

基于虚拟仪器的光纤光栅温度传感系统设计

在简要阐述虚拟仪器技术Labview7.1和光纤光栅测温原理的前提下,介绍了一种基于虚拟仪器技术的光纤光栅温度传感系统,包括系统的硬件和软件结构。重点说明了如何利用虚拟仪器工作平台(Labview7.1)来实现数据的采集、处理、显示、保存以及查询等功能,从而快速、智能化地实现光纤光栅波长移位的检测,进而得到准确的被测对象温度曲线。该系统具有界面形象、操作方便、可靠性高、功能全和可扩展性强等优点。

光电二极管在光栅解调电路中的应用

在对光电二极管施加5 V偏置电压的情况下,对于其接收的不同强度的光信号,采用不同的负载电阻而输出的电信号进行了大量实验。实验表明:不同强度的光信号以及不同阻值的负载电阻对其输出信号均有影响,给出了确切的数据和形象的曲线。可以得出结论:在光栅解调电路中,对于确定的光路,可以通过实验找到最佳负载电阻,从而便于实现对外界物理量的测量。

相位生成载波解调方法的研究

为了获得更高的线性度和更强的抗干扰能力,提出一种改进的相位生成载波解调算法.利用滤去直流量的干涉信号及其与基频相混频的信号来进行运算,将两路信号倍频后的差分结果与其相乘后的微分结果相除来实现对被测信号的解调.该方法可有效消除光源扰动和直流分量对解调结果的影响.仿真结果验证了改进解调算法的可行性及优势,与传统算法相比获得了更高的线性度和更强的抗干扰能力,并打破了基频混频只适用于小信号的局限性.搭建实验系统进行验证,结果表明改进算法的频率解调准确率较高,且强度响应一致性较好.

基于太赫兹时域光谱技术的光学参数提取方法的研究进展

光学参数是宏观上表征材料光学性质的物理量,间接反映了材料的微观特性,对光学参数准确的提取可以研究材料的微观性质和机理。近年来,太赫兹时域光谱技术作为一种新兴的光谱分析手段已经成为研究的热点。由于太赫兹辐射能量低并且脉冲宽度窄(皮秒量级),太赫兹时域光谱技术在提取光学参数方面具有无损伤和高时间分辨率的特点。本文总结了基于太赫兹透射和反射时域光谱技术的光学参数提取方法的研究进展,着重阐述了几种经典方法,分析了每种方法的优缺点,并讨论了太赫兹时域光谱技术用于提取材料光学参数的挑战。研究结果表明,透射法适用于对太赫兹波吸收较弱的物质,而反射法则适用于对太赫兹波有强烈吸收的材料。

基于扫描探针显微镜的近场超空间分辨指纹光谱技术研究现状

基于扫描探针显微镜的近场超空间分辨指纹光谱技术在分子识别及组分鉴别方面具有极大的应用前景.扫描探针显微技术与不同的光谱联合使用,发展出了不同的具有纳米级分辨的指纹光谱技术,其中包括针尖增强拉曼散射光谱技术、纳米级分辨率的傅里叶变换红外光谱技术及散射式的扫描近场太赫兹光谱技术.这三种散射式的扫描近场光学显微技术在实现方式上有所不同,在近场指纹识别方面可以相互补充.该综述主要对三种近场超空间分辨指纹光谱技术的特点进行了深入地分析和比较,并且对这三种技术的研究现状及应用进行了总结.

冰力学参数的超声波测试研究

利用非线性高能超声测试设备及超声波(纵波、横波)波速与物体力学参数的关系,对人造冰样进行了冰样力学参数(杨氏模量、泊松比、剪切模量、体积模量)随温度变化的研究。通过MATLAB进行所测数据曲线拟合,得到超声波波速在人造冰样中随温度的变化规律,进而由理论公式推导所测人造冰样力学参数随温度的变化规律。结果表明:冰样中超声波波速随温度降低而升高,冰样的杨氏模量、泊松比、剪切模量、体积模量也都随温度降低而升高。本研究有助于超声波检测法在冰样物理力学性质测量中的应用,为开展南极冰盖、海冰以及终年冻土等力学及流动特性研究提供理论模型和实验数据。

太赫兹波穿透煤层的衰减特性

研究了煤层对太赫兹前端频率附近的电磁波(75~750 GHz)的衰减特性,经过测量太赫兹前端频率附近的电磁波垂直入射煤层前后的能量,并通过理论公式计算得到同一煤层对75~750 GHz频率范围的电磁波衰减值以及不同湿度、不同地区煤层对W频段(75~110 GHz)电磁波的衰减值。研究结果表明,同一煤层对不同频率的电磁波的衰减为5.02~43.49 d B/cm;不同湿度情况下煤层对110 GHz电磁波(W频段内)的衰减为5.88~47.65 d B/cm。频率越高或者是煤含水量越大,煤层对电磁波的衰减值就越大;同时也得知了不同地区煤层的衰减也存在着差异。

管廊光纤安防监测信息管理系统研发与应用

传统综合管廊的信息管理系统报警实时性低,缺乏大数据管理手段,无法满足光纤传感数据的管理需求。为了充分发挥光纤传感技术在管廊安防领域中的优势,设计并研发了适用于光纤传感技术的管廊安防监测信息管理系统。针对传统信息管理系统的不足,基于光纤传感技术特点,从实时性、大数据管理两个方面进行了设计,实现了更加实时、直观、准确的报警定位,提供了高效的数据管理、展示方式。本系统应用于珠海横琴综合管廊,运行期间内,基于电子地图的实时报警可以1 s定位故障,海量光纤传感数据能够持续、稳定地存储与查询,可用性高达99.99%。实践证明本系统不仅适用光纤传感技术,也可以低成本应用到已有管廊并兼容传统传感技术,具有一定的实用价值。

用于海洋水位监测的干涉式光纤水位传感系统

为了实现海洋水位实时监测以进行有效的海啸预警,提出了一种全光纤干涉式水位传感系统.针对海洋水位变化范围大、变化速度快的特点,采用基于双准直器对准的改进式干涉结构和线性调频相位解调方法,以实现对海洋水位值的大量程、高精度、快响应测量.实验结果表明该水位传感系统的可测量程为0~109.14m,测量精度达±1cm,可实现0.01s的响应时间,具有较好的实时性.该系统对海洋水位监测、海啸预警具有十分积极的意义.

纤维增强复合材料太赫兹成像无损检测

利用太赫兹时域光谱成像技术检测了内含缺陷的玻璃纤维与碳纤维增强复合材料,获得了材料内部缺陷的太赫兹透射图像,从而实现对复合材料样本的无损检测。实验结果表明,太赫兹透射成像技术可检测出多层玻璃纤维复合材料的层间缺陷。但该技术对于碳纤维复合材料中缺陷的检测能力有限,主要是因为碳纤维具有导电特性,导致太赫兹信号对其穿透能力有限。通过对成像模式的调节,太赫兹无损检测技术可对碳纤维材料内部深度约为0.2 mm、宽度为10 mm的缺陷进行成像检测。这为发展准确、灵敏、高效的纤维增强复合材料太赫兹无损检测技术提供了基础实验数据。

用于干涉型光纤传感系统的相似性解调方法

基于扫频激光器和马赫-增德尔干涉结构的光纤传感系统,针对扫频激光器的频率步进不够精细导致干涉臂长差解调结果不精确的问题,提出了一种相似性解调方法.该方法通过在频率步进范围内进一步细分,构造相应细分值的模拟函数,与采集到的干涉信号进行相似性对比,相似性最大时所对应的模拟干涉臂长差即为精确结果,并通过仿真与实验验证了该方法的可行性.实验表明该系统中干涉臂长差的解调范围为2~17 mm,该范围内解调结果最小分辨率为1μm,可以达到测试量程万分之一的分辨率,且抗干扰能力强、精度高,可实现信噪比大于6.87 d B时信号的解调.根据解调原理,在不强调实时性的应用中,可以通过提高细分的精细度,进一步提高系统分辨率.

基于71M6515H和双CPU的智能动态分相无功补偿控制器

为了改善电能质量,设计了一种基于71M6515H和双CPU的智能动态分相无功补偿控制器,利用71M6515H解决了系统测量精度问题,DSP完成谐波的计算和电容的投切,单片机完成键盘显示和通讯。文章详细阐述了控制器的硬件结构、控制策略和软件设计。控制器具有谐波分析功能,避免了谐波含量较高时投切电容器时出现烧坏电容器的现象,采用分相补偿技术,保证在三相负载不平衡的情况下使线路的三相无功平衡。通过样机运行表明,控制器具有测量参数精度高、系统配置灵活、稳定性好的特点,满足了用户的需要。

结合小波变换和经验模态分解的拉曼信号去噪研究

在分布式光纤温度传感器(DTS)的系统分析中,所探测到的含有温度信息的后向拉曼散射信号的强度十分微弱,并且所携带的噪声很大,严重影响了测温精度。针对该系统存在的噪声,提出了将小波变换和经验模态分解(EMD)相结合的方法对拉曼信号进行信号处理。实验结果表明:该方法能够有效地去除系统中的噪声,很好地保留了信号的有用部分,系统的信噪比由原来的5.7dB提高到15dB,系统的平均测温误差也由原来的2.8℃降到0.5℃,从而得到更加精确的温度值。

太赫兹扫描光路系统的仿真与分析

为了实现太赫兹探测系统快速控制、逆向聚焦、长距离和大范围扫描等功能,基于共焦Gregorian反射系统(CGRS),采用ZEMAX光学仿真软件对光路进行仿真分析。首先,理论计算并确定该系统中主要反射镜的参数,予以建模;在此基础上,进行光路仿真、分析结果和计算误差。经分析知,该系统能够实现1.74m扫描范围内的25m远距离探测;并且调制传递函数接近衍射极限,成像良好。最后,利用高斯光束分析光信号在光路中传播的能量损耗情况,即当输入辐照度为63.6mW/mm2时,可以得到14.6mW/mm2的辐照度输出,为实际系统光源和探测器的选择提供了理论依据。

航空复合材料及其基体树脂的太赫兹光谱特性研究

现如今各类航空复合材料大量应用在航空飞机制造领域,而不同基体树脂的复合材料具有不同的性能优势,其物理性能关系到复合材料的设计、使用与检测。为研究不同种类的航空玻璃纤维复合材料及其基体树脂在太赫兹频段的光谱特性与介电性能,利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)在0.2~1.0THz频段内研究了3类不同航空玻璃纤维复合材料及其基体树脂:环氧树脂3238A/玻璃纤维EW180A,氰酸酯树脂9915/玻璃纤维QW120A,双马来酰亚胺树脂QY8911/玻璃纤维ZW100A的光谱吸收和介电色散特性,计算得到了不同航空复合材料及其基体树脂的折射率n、吸收系数α、介电常数实部ε′和介电常数虚部ε″,并结合改性添加剂进行了基体树脂的对比分析,以及结合增强体玻璃纤维进行了复合材料的对比分析,在此基础上,使用Debye模型对树脂体系中偶极子的弛豫过程进行了理论计算,并对实验结果进行了拟合分析。研究表明,对于ε″和α,均以QW120A/9915<ZW100A/QY8911<EW180A/3238A和9915<QY8911<3238A的顺序增大,这是由于在树脂体系中含有的极性官能团和分子越多,偶极子取向极化引起的弛豫运动则会越剧烈,介电耗损就越大;随着交变电场频率的增加,偶极子因弛豫运动落后于电场的变化,需要更多的能量克服材料内粘滞阻力,引起介电耗损增大,导致ε″和α随之增大,并且均未有明显的吸收峰;由于树脂体系中分子链结构和极性基团的含量不同,对于各类复合材料和浇注料,氰酸酯树脂的ε′和n均最小,介电性能最好也最稳定,双马来酰亚胺树脂和环氧树脂介电性能次之,稳定性稍差,顺序为QW120A/9915>ZW100A/QY8911>EW180A/3238A和9915>QY8911>3238A;在聚合物树脂内部,偶极子的极化行为由于弛豫运动而受阻尼影响,滞后于交变电场的周期性变化,导致取向极化的程度相对减弱,ε′和n呈现反常的色散现象,即ε′和n随频率的增大而降低,而对于复合材料,玻璃纤维作为无机非金属材料弱化了聚合物树脂中极化行为的影响,均未出现反常色散现象;由于混合型树脂体系中不同极性的基团发生极化响应的机制不同,导致实际介电耗损高于拟合结果,而ε′和n并不受影响,因而在使用Debye方程进行拟合时,ε″和α的拟合结果稍有误差。首次报道了不同航空复合材料及其基体树脂在太赫兹频段的介电性能差异、光谱特性及其规律,给出了环氧、氰酸酯和双马来酰亚胺三种不同航空树脂及其玻璃纤维复合材料在太赫兹频段的基础参数,为太赫兹频段下固体电介质材料透波性能的研究补充了新的内容,为航空复合材料的太赫兹无损检测提供了重要参考,并且对航空复合材料性能改进、吸波复合材料、光电半导体材料、太赫兹超材料和高性能雷达罩等研究具有重要意义。

分布式光纤温度应变传感系统性能改进研究

为了降低布里渊后向散射光不稳定的偏振态以及系统噪声对分布式光纤温度应变传感系统测量精度的影响,进一步提高测量温度、应变的精度和系统信噪比,提出在该系统中加入扰偏器,以减小系统误差;同时应用小波去噪的方式降低信号的噪声。选用体积和插入损耗都较小的PolaRITETMⅢPSM-001扰偏器。小波去噪过程选用db5小波,经过离散小波变换函数wavedec对信号进行小波分解,选用thselect函数实现阈值获取,选用waverec函数实现信号小波重构。实验证明扰偏器能使系统误差降低到原来的1/3,小波去噪使系统信噪比从原来的26.6dB提高到38.5dB。

基于希尔伯特变换和功率谱估计的薄缺陷厚度太赫兹检测

提出将希尔伯特变换和功率谱估计相结合的光谱分析算法,对太赫兹反射时域波形进行处理,并将该算法应用于太赫兹时域光谱成像,将缺陷厚度和图像灰度关联,实现同时对玻璃纤维层压板内部缺陷厚度、位置和形状的成像检测。实验结果表明:将多重信号分类谱估计、自回归谱估计和希尔伯特变换结合时,能成功区分厚度为0.08mm缺陷上下表面反射脉冲,反射脉冲的时间分辨率小于0.5 ps,缺陷厚度的检测误差不高于0.03 mm。

一种生命探测装备的超宽带天线设计

通过Ansoft HFSS电磁软件对天线模型参数进行仿真和优化,设计了一款新型电磁偶极子宽带天线。该天线阻抗带宽2~4GHz、前后比达10 d B,体积小。测试结果表明其性能指标满足设计需求,并已应用到生命探测装备中。