Retro-Reflective Fiber Optic Displacement Sensor for Performance Optimization Using Taguchi Method

Fiber optic displacement sensors are widely used in industry. Retro reflective fiber optic displacement sensor consists of parallel fibers with a reflector at a distance. Light is launched into the transmitting fiber which gets reflected by reflector. This reflected light is collected by the receiving fiber. The received light is function of the displacement of the reflector from the fiber end faces. This paper is targeted to obtain a robust design for the fiber optic displacement sensor (FODS) using well known Taguchi method. The design takes care of all noise parameters within constraints of manufacturing tolerances. The statistical data analysis is performed on the simulated results. The larger the better signal to noise quality characteristics is used to find the effect of control parameters in the data analysis. Taguchi analysis suggests dominant parameters, which affects the sensitivity of the FODS and causes immunity to noise. A source fiber inclination angle is chosen as an adjustment parameter. Other control parameters are used for fine tuning of the FODS design for achieving three qualities viz. best robustness, optimized sensitivity and robustness and best sensitivity.

光纤光栅传感器研发及其在土木工程中的应用进展

从传感器类型出发介绍了表贴式、纤维增强聚合物式、管式和内嵌式封装光纤布拉格光栅传感器的结构型式、实施方式和关键技术,简述了各种封装方式传感器的工作原理、技术研发及工程应用进展,总结了不同封装方式传感器的优势和不足。然后,简要介绍了光纤布拉格光栅传感器在桥梁结构状态监测或检测中的典型工程应用案例。最后,指出了光纤布拉格光栅传感器在土木工程领域中的工艺工法、耐久性和分布式测量以及未来推广应用有待解决的关键问题等,为光纤布拉格光栅传感器技术优化及其在土木工程中的推广应用提供参考。

应用于光纤的高压隔离开关状态识别技术

为了解决传统高压隔离开关状态检测方法中无法直接获取分合闸状态的问题,设计了一种应用于光纤的高压隔离开关角度测量传感器,通过最小二乘法,对传感器的输入输出特性曲线进行拟合,采用曲线拟合法进行非线性补偿,以降低传感器的非线性误差。并建立了基于二元回归分析的温度补偿模型对传感器进行温度补偿。实验结果表明:采用曲线拟合法进行非线性补偿后,传感器的非线性误差从15.7%降至5.7%。进行温度补偿后的零位温度系数降低了近3倍,灵敏度温度系数降低了9倍以上,相对误差降低了4.52个百分点,且传感器的平均绝对误差为0.49%,满足设计需求。

反射式光纤角度传感器及其非线性补偿技术

为了克服传统电子式角度传感器对电磁干扰的敏感性以及在高压环境下取电困难的问题,设计了一种基于反射式光纤技术的新型角度传感器。该传感器采用“以直代曲”的思想,将旋转角度转换为光纤测距问题,通过测量反射光的光照强度并将其转换为电压信号,进而将电压信号转换为角度输出,实现旋转角度的测量。通过最小二乘法对传感器数据进行线性拟合,建立了旋转角度与输出电压之间的映射关系。此外,对传感器的非线性误差进行了有效补偿。实验结果表明:经过非线性误差补偿后,该光纤角度传感器的非线性误差显著降低,从28.55%降低至8.58%,且测量误差仅为2.51°,证明了其高精度和可靠性。

基于三节点逆元法与光纤传感器的机翼形态重构方法

基于应变信息的飞机机翼结构形态重构技术,可为“仿生式机翼”的气动外形、气弹特性以及隐身性能控制提供数据支撑。为实现对飞机机翼的变形监测,本文提出一种基于三节点逆有限元法和应变信息采集的形态重构方法,并给出相应的光频域反射型分布式光纤传感器布局形式。首先,建立飞机机翼简化模型,开展基于有限元分析结果的形态重构方法仿真验证。其次,构建基于分布式光纤传感器的机翼简化模型应变监测与形态重构试验系统。研究表明,自然下垂工况下,机翼简化模型形态重构相对误差平均值约为4.01%;弯扭组合工况下,机翼简化模型形态重构相对误差平均值约为6.34%。本文所提方法适用于不同载荷工况下飞机机翼变形监测,能够为可变体机翼形态调控与机载共型天线相位补偿提供帮助。

浅谈荧光测温法在计量学和实际工作中的应用

本文根据荧光法测温的基本原理,通过对荧光测温装置的基本原理、结构类型和适用场景进行分析,找到影响其准确度的重要因素;与传统接触测温法和辐射测温法相比,该方法在实际工业生产过程中具有不可替代的优势和发展前景。同时,对其优缺点进行探讨,排除影响测量过程中准确性的干扰因素,并提出有效的测量方法,从而提高温度测量的准确性,实现荧光法温度的精密测量。

光纤传感网络空间中攻击节点捕获方法研究

为了更准确地捕获网络空间中的攻击节点,提出一种光纤传感网络空间中攻击节点捕获方法。首先利用传感电路以及信号采集模块实时采集扰动信号,采用级联离散小波变换方法对信号实施去噪处理。然后通过基站向网内节点发送测试数据包,要求将数据包转发至邻居节点,并监视处理转发过程。节点对比基站和邻居节点发送的数据包,对邻居节点的可疑性进行投票。基站根据节点投票结果判断攻击节点,完成对空间中攻击节点的捕获。测试结果表明:该方法能够更准确地捕获光纤传感网络空间中的攻击节点,且能量消耗较低。

光纤微震监测系统及其在五阳煤矿的应用研究

光纤微震监测技术通过观测分析生产活动中产生的微小振动事件,对其进行监测预警,具有无源、可靠性高等优点。传感器垂直安装在巷道帮部锚杆上,监测分站安装在硐室内,传感器与监测分站通过敷设的光缆形成监测网络。采用单纯形法进行震源定位,此方法在定位计算过程中不会出现发散问题,稳定性高,在求解过程中不需要求解偏导和逆矩阵,降低了运算量,提高了运算效率,每只传感器可以根据实际情况采用不同波速进行计算,更加符合实际情况。光纤微震监测系统安装于山西五阳煤矿,进行了初步的监测应用,并对监测结果进行了分析,结果证明该系统能够监测矿山活动,发挥预警功能,对安全生产起到了积极作用。

基于斜坡法的智能化架空线路应变快速感知

为了提高输电线路状态感知实时性,将单斜坡法和基于伪Voigt模型的最小二乘谱拟合法用于架空线路复合光纤应变的测量,基于实测布里渊谱系统,研究了工作点增益的信噪比和布里渊频移对单斜坡法准确性的影响。结果表明,随着工作点增益信噪比增加,布里渊频移误差近似成指数规律减小;随着布里渊频移与工作点频率之差的增加,布里渊频移误差先快速下降,然后略有增加;当工作点处布里渊增益的信噪比不小于25 dB且工作点频率始终小于(或大于)布里渊频移时,单斜坡法应变误差小于60με;根据不同布里渊频移下60με对应的临界信噪比,可插值获得不同情况下对应的临界信噪比;单斜坡法的谱测量时间和计算时间分别为谱拟合法的1/161和1/600左右。该工作为提高智能化光纤复合架空线路态势感知实时性奠定了基础。

直流大电流源校准方法探讨

随着直流输配电技术的发展,直流大电流源已广泛应用在各种测试场合,其量值准确可能影响设备的使用可靠性,从而影响大电流试验的有效性。文章介绍了几种直流大电流源的校准方法及校准过程。通过实例试验,计算分析试验结果数据,并对校准结果进行测量不确定度评定分析。

用于检测变压器局部放电的荧光光纤传感系统研制

基于局部放电产生光效应的物理现象和荧光光纤具有传感一定波长微光信号的特性,研制出一种检测局部放电信号的荧光光纤传感系统。阐述了荧光光纤检测局部放电光信号的原理,给出了传感器主要参数和系统组件,在实验室搭建的模拟变压器油中局部放电试验研究平台上,与超高频法的检测结果相比较表明,两种方法在检测油中针-板绝缘缺陷产生的局部放电时,得到的放电脉冲都集中在工频正负电压峰值附近,且在反映放电脉冲次数和放电发生相位上具有很好的一致性。超高频法检测局部放电信号大小主要反映脉冲幅值高低,即得到的是ψ-u-n三维谱图;光测法检测局部放电信号大小主要反映脉冲能量大小,即得到的是-ψp-n三维谱图。由于荧光光纤传感器可方便埋设于变压器绕组绝缘中,对复杂绝缘结构内部的局部放电进行在线监测具有广泛的应用前景。

预紧封装光纤光栅温度传感器传感特性研究

为了获得稳定测量温度变化的光纤光栅温度传感器,笔者研究带预紧力的光纤光栅温度传感器的封装技术及其传感特性。通过温度传感理论分析,在避免光纤光栅对温度和应变的交叉敏感情况下,对光纤光栅温度传感器进行有限元Ansys应力分布进行模拟,可知本封装具有一定的减敏作用,温度测量量程增大,满足更多实际工程中的使用。环氧树脂DP420将带有预紧力光纤光栅封装在铍青铜材料的圆柱体内,在恒温鼓风干燥箱对光纤光栅温度传感器进行传感特性研究,40～120℃的范围内,每次升温5℃。所得结果,此光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数为23.81pm/℃,是裸光纤光栅传感器的2倍,且线性度达0.999以上。该文对光纤光栅工程化具有较大的应用价值。

光纤法布里-珀罗传感器光纤端面反射率优化

讨论了反射光纤端面反射率对(F-P)传感器输出信号质量的影响,指出反射光纤端面反射率的提高可以克服光在F-P腔内损耗的影响,且对应传感器腔长有和其匹配的最优反射率.为了使传感器在其工作腔长范围内的输出信号整体上具有尽可能好的信号质量,采用最小均方误差法确定了反射光纤端面的最优反射率.仿真证明了采用最优反射率时的信号质量优于采用非最优反射率时的信号质量.

芯轴型光纤水听器声压相移灵敏度响应分析

提出了一种带空气腔芯轴型光纤水听器的结构模型,并对其声压相移灵敏度的响应特性进行了研究.通过对空气腔芯轴型光纤水听器的基本原理和结构进行分析,得出光纤与弹性筒作用的相互关系;建立了动力学等效模型,得出带空气腔芯轴型光纤水听器声压相移灵敏度表达式以及频率特性的理论模型;利用有限元方法,得到芯轴型光纤水听器的响应模型.根据提出的结构和确定的参量制作出相应的探头,经过试验测试,其3dB带宽约为30kHz,测试结果验证了提出的理论模型与有限元模型的正确性.

光纤光栅制作方法及传感应用

详细阐述了光纤光栅常用的几种制备方法,包括紫外激光曝光法、CO2激光照射法、电弧放电法和飞秒激光法等,并分析比较了各种方法的适用性和局限性。系统综述了光纤光栅在传感领域的应用,讨论了光纤光栅温度、应力、弯曲、压力、扭曲以及生化等几种典型的传感器。最后,对光纤光栅传感技术的发展进行了总结和展望。

多点扰动对光纤分布式扰动传感器定位准确度的影响

基于激光干涉原理,建立了基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤分布式扰动传感器多点同时扰动的信号模型.在此基础上,通过数值模拟研究了多点同时扰动对传感器定位准确度的影响,明确了多个扰动信号同时作用时扰动的幅值比和位置差不同情况下传感器的定位准确度.仿真结果表明:当多点同时扰动的信号幅度差别大于等于20倍时,可以给出较强扰动的定位信息;当多点同时扰动的空间距离小于等于100m时,可以近似看成单点扰动.在光路中增加偏振分束器来抑制偏振衰落的影响,并采用信号发生器对实验光路中的两个压电换能器同时施加正弦信号来模拟扰动进行实验.实验结果表明:在5km和10km的位置同时施加扰动,当两个扰动的幅值比大于等于20时,距离较强扰动点的最大定位误差的最大值为200m;在5km和5.05km位置同时施加幅值比为1的扰动,距离5km位置的最大定位误差为200m,验证了仿真结果的正确性.该研究为多点同时扰动条件下光纤分布式扰动传感器定位准确度的提高和误报率的降低提供了理论指导.

基于弯曲损耗的光纤温度传感器

为了推导多模光纤弯曲损耗与弯曲半径、环境温度的关系,采用了WKB法求解非均匀直光纤的传播模数,并将弯曲光纤的有效折射率、弯曲光纤截止传播常数和光纤的热光效应同时引入到非均匀直光纤有效传播模数中。利用多模光纤进行实验验证,研制出测温灵敏度为0.1/℃、测温范围为10℃～70℃的光纤温度传感器。结果表明,弯曲损耗随弯曲半径的增大而减小,随环境温度的升高而减小,可以利用弯曲损耗测量环境温度。

光纤传感器与结构基体的应变传递关系

为了明确光纤传感器测量的应变值与结构基体实际应变值之间的关系,建立了结构基体-光纤保护层-传感光纤的力学模型,分析了影响光纤传感器测量精度的因素,从理论上推导了结构基体与光纤传感器在拉力和三点加压作用下的应变传递关系并得出解析解.计算结果表明,传感光纤保护层的厚度越薄、保护层的长度越短、材料的弹性模量越小,光纤应变传感器的测量精度受到的影响越大.

基于逆有限元的应变模态损伤检测方法

基于光纤光栅传感器(fiber Bragg grating,简称FBG)逆有限元方法(inverse finite element method,简称iFEM),仅利用有限测点的应变数据进行全域应变场重构,得到近似完全测量应变模态,提高了直接采用实测应变数据来构建应变模态损伤指标的实用性。利用基于损伤应变模态差分原理的损伤指标法,只需用损伤后应变模态数据即能定位损伤,并给出了损伤指标数学模型。计算结果表明,基于光纤光栅传感器和逆有限元方法可以快速进行全域应变场重构,为基于应变模态的损伤检测提供数据保障,而应变模态差分曲线只在损伤处发生剧烈变化,损伤程度不同,曲线突变程度略有不同但规律一致。最后以某板的实验结果证明了该方法的有效性。

光纤多模干涉应变传感器的数值模拟及实验研究

介绍了一种基于多模干涉理论的光纤应变传感器,它由两段单模光纤中间夹一段多模光纤组成。我们利用光束传播法(BPM)对这种结构进行了数值模拟,获得了多模光纤中被激励的所有高阶模式的耦合效率的解析解,通过计算得到其应变灵敏度是FBG型应变传感器的2.14倍。随后,对这种新型传感器进行了应变传感实验,实验结果为1.92倍,计算值与实验值基本一致,证明了此种数值模拟方法适于研究此类光纤多模干涉问题,并体现出这种单模-多模-单模结构的传感器在灵敏度方面的优势。