基于角度偏差自校正的光纤形状传感结构设计

光纤形状传感中FBG的放置角度误差会影响曲率的计算精度,从而增大形状反演的误差。为了实现传感胶棒的角度自校正,设计了一种自校正形状传感结构,在传感胶棒的感知截面上布设9个FBG,以120°等角度间隔作为基准位置,分别提取±10°位置上的应变,从而实现FBG响应与角度偏差的函数映射。提出了一种基于角度偏差自校正算法,通过适应度函数完成对传感参量α与k的阈值优化,实现任意角度偏差的自校正。仿真分析不同α与k条件下的响应关系,发现α具有很好的线性变化特性,k仅随主敏感FBG波动的特性。在单截面实验中,加载0~100 N应力变化后,9个FBG的平均响应度介于[-1.012με/N,0.987με/N]之间。响应度的正负可以表征弯曲方向,相邻FBG的响应也具有很好的线性度。在组合截面实验中,根据反演结果重建传感胶棒三维结构,输出各点位坐标和应力值信息。

基于CVMD和DBO-SVM的光纤周界安防信号识别方法

为降低光纤周界安防信号中噪声对分类结果的影响,提升信号分类的准确率和运行效率,提出一种融合了相关变分模态分解(Correlation Variational Mode Decomposition,CVMD)、蜣螂算法(Dung Beetle Optimizer,DBO)和支持向量机(Support Vector Machine,SVM)的分类方法。利用CVMD去除原始信号中的噪声分量,并提取去噪后信号的能量、能量熵和峭度作为特征向量。采用DBO算法优化SVM,得到最佳惩罚因子和核函数参数,并构建DBO-SVM分类模型。搭建了基于相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)技术的周界安防系统,采集了攀爬、敲击、踩踏和无入侵四类信号。实验结果表明,CVMD-DBO-SVM的分类准确率相比CVMD-PSO-SVM和CVMD-GA-SVM更高,达到了98.75%,同时运行时间更短,综合性能最优。

基于光纤环衰荡技术的锥形光纤磁场测量方法

针对目前光纤磁场传感器解调方法中存在的实用性差且造价昂贵的问题,提出了一种基于光纤环衰荡技术的锥形光纤磁场测量方法,实现了磁场的时间域解调。施加不同强度的磁场时,光在锥形光纤处引起的损耗不同,导致系统衰减时间不同。将系统衰减时间和磁场强度建立联系,实现了磁场测量。为降低传感单元温度和磁场之间的交叉敏感,设计了温度控制电路,将传感单元的温度设定在25.0℃。实验结果表明,该传感器在磁场强度2 mT~9 mT范围内时,磁场强度H和衰减时间τ具有R^(2)=0.98273的线性拟合度,计算得到该传感器的磁场灵敏度为-11.65μs/mT。与光纤磁场传感器的其他解调方式相比,采用光纤环衰荡技术的磁场测量方法,具有响应速度快、成本低、稳定性好的优点。

基于植入式光纤传感网络的固体火箭发动机结构健康监测

为实现对固体火箭发动机结构健康状态的实时监测和评估,设计并研制了一种高强度飞秒光栅传感网络,重点研究了传感器与信号传输链路的涂覆和封装。开展了发动机界面脱粘模拟实验。设计可用于发动机应变、温度和载荷的模拟演示系统,建立了基于光纤传感器采集数据的发动机数字孪生模型,形成发动机实物与数字孪生体的精准映射。最后将光纤传感器阵列植入发动机,对发动机开展水压监测实验、高低温存储实验、长周期监测实验和点火实验。对监测结果进行无损检测验证,结果表明该传感网络能够准确测量出发动机的应变状态,为固体火箭发动机的结构健康管理提供有效的数据支撑。

反射式红外甲烷传感器气室结构优化设计与仿真分析

甲烷易引发火灾和爆炸,可通过红外吸收式甲烷传感器进行实时检测。此类传感器的传感部分包括红外光源、热释电探测器、红外气室等部件。其中,红外气室的尺寸结构与元器件摆放位置直接影响传感器的检测精度。文章针对反射式红外气室模型,对相关元器件选型后进行建模与仿真,得到热释电探测器总接收光线率为54.3%,其中接收窗口接收光线率36%的优化结构模型。

基于AD5940和STM32的生物电阻抗测量系统设计

针对传统阻抗测量系统结构复杂、集成度低和实现成本高等问题,研制了一种频率范围0.01 Hz~200 kHz、支持USB总线的便携式阻抗测量系统。系统采用高精度阻抗转换芯片AD5940为测量核心,STM32F411RET6处理器为控制核心,通过上位机设置AD5940配置参数即可完成单频、多频测量,阻抗数据经USB总线传输至上位机处理、显示及存储。电阻测量实验表明,系统的平均相对误差为0.11%,信噪比为70.15 dB;R-C三元件阻抗模型实验表明,系统的幅值平均绝对误差为0.64Ω,相角为0.447°,生物电阻抗测量系统具有很好的可靠性与稳定性。

基于激光传感和机器视觉的变电站通道监控研究

变电站内隐患区域与异常状况在属性上分属不同传感特征,无法通过单一监控形式完整表达。针对当前变电站通道监控以单一监控形式为主,存在安全隐患与异常状况检测精度低的问题,导致监控效果不佳,提出运用激光传感技术和机器视觉技术双监控的模式,对变电站通道完成监控,形成监控互补。通过在变电站通道布置激光传感器,采集变电站通道安全隐患数据,构建分布密度函数判断变电站通道的安全隐患,利用机器视觉技术采集变电站通道监控图像特征,实现了变电站通道内异常情况监控。实验结果表明,该方法能够准确监控变电站通道安全隐患区域和通道内的异常情况,提升变电站安全监控效果。

含预制裂纹的弧形膜片压力控制技术研究

为了满足双药室发射时对弹丸启动压力的精确控制,并同时解决另一药室可能出现的串火隐患,设计了一种含预制裂纹的弧形膜片。利用三维建模软件完成了膜片的初始模型设计,膜片主体部位为一拱形薄膜,其中凹面为正面,凸面为反面。凹面中含有预制刻槽,通过改变刻槽的深度,可以调节正向冲破压力,实现对弹丸启动压力的控制。凸面的拱桥形结构则使膜片具备了反向承压的能力。使用数值计算的方法建立了双药室弹药的内弹道计算数学模型,得到了两个药室各自的压力-时间曲线。通过有限元分析软件对所建立模型进行了分析,将所计算的内弹道结果作为仿真输入条件,仿真结果验证了所设计的膜片结构具备正向冲破,反向承压的能力,并得到了膜片的大致尺寸。利用仿真结果进行了进一步优化设计,制造出不用刻槽深度的膜片进行选型试验,试验结果表明所设计膜片采用2.5mm刻槽深度时能够满足双药室发射的使用需求,对变威力发射及压力控制技术的研究具有一定的指导意义。

非色散红外CO_(2)传感器温度补偿研究

为了解决非色散红外CO_(2)传感器在测量过程中易受温度影响的问题,提出双半椭球形双通道气体吸收腔室和广义高斯径向基函数神经网络补偿温度的新方法。首先双半椭球形双通道气体吸收腔室的半椭球形长轴右侧焦点与右半椭球形长轴左侧焦点重合,红外光源位于左、右半椭球形长轴的焦点重合处,检测器位于半椭球形长轴的另外一个焦点处,该结构能够使光线被气体充分接收,减小了光线传播过程中的损耗。接着差分计算单波长双通道热释电探测器输出电压获得CO_(2)气体浓度。最后分析广义高斯径向基函数神经网络形状参数与辅助形状参数对提高逼近效果的影响。实验显示在双半椭球形双通道气体吸收腔室结构中,长轴长度为4cm和短轴长度为3cm则CO_(2)气体吸收率达到最大值。常温25℃时,CO_(2)不同浓度测量误差变化不大,绝对误差波动范围在0.004%~0.006%之间,相对误差波动范围在0.067%~0.100%之间。CO_(2)浓度2%时,不同温度测量误差变化较大,绝对误差波动范围在0.001%~0.024%之间,相对误差波动范围在0.017%~0.400%之间,测量浓度为2%的CO_(2)气体传感器响应时间的6次平均值为27.46s,具有较快的响应时间。

成品油管道运输混油界面多传感器融合检测

成品油管道输油是石油行业的重要环节,涉及多种油品的顺序输送。在长距离管道输油过程中,混油界面的检测可以帮助管道运行管理人员及时、准确地判断不同油品的切换时间,避免油品输出错误导致的交叉油品污染,保证油品的品质和安全,提高管道输油过程的经济效益和输送效率。本文提出通过电磁能量吸收、电容介电常数、谐振频率等多个油品特征信号的检测,将多个检测参数信息融合综合分析混油界面,实现管道输油过程中实时混油界面检测。

基于拉曼散射的光纤测温系统设计及其应用分析

设计基于拉曼散射的光纤测温系统,经测温监测发现高温区集中在该工作面距副巷壁面35~65m处,从进风侧到回风侧,高温区在工作面内呈现由远及近的变化规律,并沿该工作面倾向方向逐渐变窄;在距副巷壁面124m,仅在距工作面10m处有一个291.49K的小范围区域。此外,经束管监测的留巷侧、副巷侧氧气浓度变化趋势同于实际结果,验证了该测温技术的有效性。

基于Android平台的相机清晰度检测系统

为了能够实时、准确地完成对光学系统清晰度的检测,提高相机模组的一致性,本文设计了一款基于安卓平台的相机清晰度检测系统。在相机装配的主动对准过程中,通过测量调制传递函数的方法,来评价相机的成像清晰度。不同于市面上现有的检测仪器,该检测系统体积小、普适性强、操作方便、成本较低、可实时记录相机模组在不同状态下的调制传递函数,达到检测相机模组成像质量的目的。在相机模组检测领域中,该系统更易实现商业化和产业化价值。

基于层状PI薄膜FBG传感器的KCl浓度测量

为了监测核工业冷却管道中冷却剂的浓度,针对目前测量仪器易受环境干扰、介质沉积、难以分布式多点监测等问题,设计了一种基于层状聚酰亚胺(Polyimide,PI)的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)浓度传感器。结合PI薄膜的吸水特性、水分子扩散原理和FBG传感理论,研究基于层状PI薄膜的FBG浓度传感机理,设计制作了层状PI薄膜FBG浓度传感器。最后,搭建浓度测量实验平台,进行浓度传感实验,得到镀层状PI薄膜的FBG浓度传感器对氯化钾(KCl)溶液的浓度特性曲线,并分析了其灵敏度与滞回特性。实验结果表明:浓度与波长漂移量呈线性变化关系,浓度特性曲线拟合度为0.9942,正、反行程输出的最大差值为35 pm,传感器的平均灵敏度为157.6 pm/(mol·L^(-1)),是同条件下镀一层环状PI薄膜FBG浓度传感器和腐蚀型FBG浓度传感器灵敏度的7.4倍和49.1倍。该传感器为核工业管道中冷却剂浓度测量提供了新方法,具有高灵敏度、安全、抗电磁干扰等优点。

用于油井相含率测量的光纤探针传感器研究

针对地面成熟三相流相含率测量传感器无法适应井下高温高压腐蚀的复杂环境,现有井下测量设备复杂,需要多种传感器和探头联合才能实现三相流相含率测量的问题,设计了一种光纤探针传感器。以蓝宝石作为光纤探针的前端敏感材料,利用气相和液相对光的折射率不同,通过检测探针反射光的光强来分辨光纤探针处于气相还是液相。通过检测经探针耦合进光纤的荧光光强分辨水相还是油相,从而实现单一探针传感器对油井内油相、水相、气相三相相含率的测量。

基于智能手机的光学传感器用于即时诊断

即时检测(POCT)是指在中央实验室之外靠近患者的床旁测试,POCT检测快速、成本低廉,可很好解决实际检测过程中样品周转费时的问题,广泛应用医疗、环境监测、食品安全等领域。基于智能手机的光学传感器,可很好满足POCT的检测要求,不需要技术熟练人员,可广泛应用到偏远地区,具有良好应用前景。根据光学技术的不同,光学传感器一般可分为表面等离子体共振传感器、荧光传感器、比色传感器。该文综述了该三种光学传感器在检测生物分子层折射率、降钙素、链霉素、四环素、唾液中尿素、血清分析物方面的应用,并对未来其应用前景进行了展望。

基于人工神经网络的光纤传感气体检测系统

对多种混合气体中的不同气体浓度进行检测时,结果平均相对误差较大,导致光纤传感气体检测效果较差,因此设计基于人工神经网络的光纤传感气体检测系统。在系统硬件设计中,光源模块对光信号进行采集;光栅恒温模块保证光纤传感系统的检测精度和稳定性;光电转换模块将光纤传感器中的光信号转化为电压信号。在系统软件设计中,把电信号传输给系统中人工神经网络的输入单元,经训练好的神经网络把最终对混合气体的检测结果仿真输出。系统测试结果表明,光纤传感气体检测系统对CO_(2)、H_(2)S和CH_(4)的网络输出浓度值更接近气体的实际浓度值,且其对每种气体浓度检测的平均相对误差都要小于传统检测系统。由此可以证明,光纤传感气体检测系统对多种混合气体中不同气体的浓度值的检测效果较好,在光纤传感气体检测领域中有一定的应用价值。

基于BOTDR的分布式光纤传感器标定实验研究

针对基于布里渊散射原理的分布式传感光纤的标定问题,本文研发了一套分布式传感光纤标定系统。利用BOTDR测量仪器,可以标定分布式传感光纤的应变系数和温度系数,并获得=900μm的尼龙紧套单模传感光纤的温度系数和应变系数:分别为2.99 MHz/℃和0.05MHz/με;同时获得BOTDR实测值与真实应变的关系曲线,其相关系数大于0.995。该结果证明,普通通讯用紧套单模光纤可以用作分布式传感光纤,文中的标定方法及标定结果可为分布式传感光纤研究提供重要的研究手段及研究依据。

光纤光栅传感测量中的交叉敏感研究

依据Bragg光栅方程 ,从理论上分析了光纤光栅应变和温度双参量同时测量中引起交叉敏感的物理机理 ,对有交叉敏感和无交叉敏感两种情况下的误差进行了分析讨论 ,并给出了数学表达式 .结合实验数据进行了计算 ,估计了忽略交叉敏感可能带来的误差 。

一种基于等强度梁的光纤光栅高频振动传感器

以光纤光栅为敏感元件,设计了一种基于钢制等强度悬臂梁结构的高频振动传感器,该传感器由光纤光栅粘贴于等强度悬臂梁的表面而实现。运用材料力学原理对该等强度悬臂梁的共振频率和应变特性进行了推导。采用匹配滤波法解调光信号,并进行了传感探头优化设计,使该传感器实现了温度补偿。在不同环境温度下对任意频率的振动进行了测量实验,结果表明这种振动传感器可以实现高频振动信号的检测,实际上限频率达6kHz,测量频率误差小于0.5%,能够实现温度补偿,且集成度高,结构轻便,具有广阔的实用前景。

混凝土结构的光纤光栅智能监测技术

根据混凝土结构的内部应变监测需要,提出了光纤光栅管式封装应变传感器,并对其传感特性进行了研究;探讨了光纤布拉格光栅传感元件在混凝土结构中的布设工艺,并用光纤光栅监测了水泥净浆的固化过程;用管式封装光纤光栅与裸光栅对钢筋混凝土梁进行了应变监测;最后将光纤光栅传感器成功地应用于黑大公路大桥。