全保偏光纤加速度矢量传感器的设计与实验

阐述了全保偏光纤加速度矢量传感器的基本工作原理,进行了三维探头结构设计,对系统的谐振频率和加速度灵敏度进行了理论分析,并进行了一维光纤加速度传感器实验,验证了这种全保偏光纤加速度矢量传感器的谐振频率和加速度灵敏度理论分析和结构设计的合理性。

使用光纤陀螺进行精确测量的矢量调制法

以光纤陀螺工程测量为例,提出了精确测量矢性物理量的矢量调制法。依据调制解调原理和线性系统理论,矢量调制法使用机械转动方法,将输入信号在进入传感器之前调制成为正弦波;由于线性传感器的频率保持性和叠加特性,对传感器输出信号解调,将得到准确的输入响应,由此去除常见的传感器偏置、偏置的漂移、干扰与噪声。与其它抑制测量误差的方法(最优估计、滤波等)相比,提高测量精度效果更明显。初步实验表明,使用低精度光纤陀螺能够测量地球自转角速率,能够从 mV 级直流量、峰峰值(-18mV, 1mV)的噪声和干扰中分离出北向地速响应,与北向地速响应的计算值 0.03mV 接近。

基于加速度传感的三维光纤矢量水听器实验研究

研制了全光湿端的基于加速度传感的三维光纤矢量水听器,介绍了它的基本结构,测试了加速度灵敏度响应,在水声一级计量站标定了指向性和声压灵敏度,进行了海上试验。实验结果表明,该光纤矢量水听器具有很高的灵敏度、较好的空间指向性和良好的低频响应,并有了初步的海上实用性能。

压差式矢量水听器驻波场校准实验研究

压差式矢量水听器的校准一直是国内尚未解决的难题,针对此问题设计了一种基于光纤传感的压差式矢量水听器,对其传感原理进行了理论分析,为其设计了驻波场校准方案,对驻波场校准此类压差式矢量水听器进行了理论分析和计算机仿真,最后对此压差式矢量水听器进行了声压灵敏度和方向性的测试,实验结果与理论分析和计算机仿真比较吻合.这些研究对压差式矢量水听器的应用具有重要的意义.

驻波管测试下压差式光纤矢量水听器的改进

压差式矢量水听器基于声场有限差分原理进行声压梯度测量,而光纤声压传感器结构相对复杂,在工艺上难以保证传感器间的灵敏度一致性。研究了声压传感单元不一致对压差式光纤矢量水听器的影响,指出声压传感基元灵敏度不一致对实际应用中的行波场条件下的测量影响更严重,采用传统的驻波管校准后的压差式光纤矢量水听器在实际运用中就会造成声压的相位测量误差。提出了可通过一维方向上采用双干涉仪结构来克服此问题,并分析了该结构的压差式光纤矢量水听器的驻波管校准方法,依据该方法进行测试,可克服声压传感基元灵敏度不一致的影响,使其能在实际中得以应用。

基于PSO-RVM的光传感器参数标定算法

为了提高光传感器参数的标定准确性,本文提出一种粒子群优化算法优化相关向量机参数的光传感器参数标定算法(PSO-RVM)。首先收集光传感器参数的数据,并进行归一化处理,然后建立光传感器参数选择训练样本和测试样本,并输入到相关向量机建立光传感器参数标定模型,采用粒子群算法对相关向量机参数进行优化,最后采用光传感器参数标定实验进行性能分析。结果表明,PSO-RVM可以描述光传感器参数的变化特点,提高了光传感器参数标定精度,并且标定速度可以满足实际应用要求。

改进PSO-SVM的光纤传感网络数据识别系统

为了增强光纤传感网络对相近扰动信号的识别能力,提高目标分类精度,提出了一种改进的粒子群优化-支持向量机(PSO-SVM)算法。该算法在分析回波信号谱形特征的基础上,设计了三个用于描述信号特征的判断指标。将主波信号能量、主波脉宽及波形变化率作为数据预处理的特征参量,改进了传统的数据分类模型。实验模拟了实际应用中的三种典型干扰形式,以机械、人工以及坠落物对测试区域地面进行冲击测试,并对比了不同距离和不同强度情况下的响应效果。结果显示,6种不同情况对应的谱形特征有3种,相同作用机制的谱形相似度很高。特征参量的响应值随着测试距离的增大而减小,随着冲击强度的增大而增强。对相同测试数据进行扰动信号分析,传统SVM算法平均识别概率为69.3%,而该算法平均识别概率为90.1%。可见,该算法在提高光纤传感网络扰动信号分类能力方面具有一定的优势。

单入射波长及纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的折射率传感分析（英文）

利用全矢量耦合模方程提出并分析了一种基于纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的环境折射率传感测量方法.以波长为谐振波长的完全偏振光为入射波,通过分析不同环境折射率下输出光的偏振态在邦加球上与参考点间球面距离的变化测量环境折射率.分析表明,在环境折射率1~1.30范围内包层半径为20.75μm的长周期光纤光栅传感器线性特性良好,灵敏度为0.356/RIU,可应用于湿度和气体的折射率测量;该分析方法适用于其他类型的双折射长周期光纤光栅传感器的设计.

基于光纤传感技术的油液污染度软测量研究

采用基于Mie理论的激光散射法测量油液污染度时,油液污染度与监测参数——入射光强、散射光强、出射光强以及颗粒参数之间存在着复杂的非线性关系,给油液颗粒污染度的准确测量带来困难。利用支持向量机优良的非线性映射和强大的泛化能力,建立了一个基于最小二乘支持向量机的油液污染度软测量模型,给出了相应的系统结构和算法;仿真和实际运行结果表明基于LS-SVM的油液污染度软测量模型具有较高的估算精度与泛化能力,为油液污染度的在线测量提供了一种简单、可靠的新方法。

光子晶体光纤高灵敏度压力传感特性研究

为了提高压力传感器的灵敏度,利用光子晶体光纤理论及其高双折射特性和可灵活设计的结构特点,设计了一种新型边孔高双折射光子晶体光纤压力传感结构.采用全矢量有限元法并结合COMSOL软件对传感结构的受力和模场分布进行仿真分析,获得压力传感特性随几何结构和自由空间波长的变化关系,通过优化设计得到最优结构参量,进一步获得高压力灵敏度.结果表明,在最优结构下,自由空间波长为1.55μm、压力为200MPa时,偏振相位灵敏度为166.2rad/(MPa·m),所能施加的最大压力为720MPa,相位模式双折射灵敏度保持在4.1×10^-5MPa^-1左右.该研究对提高压力传感器的灵敏度是有帮助的.

基于支持向量机的光纤光栅反射光谱类型识别方法研究

为解决光纤光栅传感过程中出现的异常光谱识别问题。提出一种基于支持向量机网络识别反射光谱类型的方法。光谱数据输入网络前先提取其光谱特征,对特征值数据集进行预处理,将数据输入支持向量机网络进行训练。训练完成后,训练集数据识别准确率达到99.95%,验证集数据准确率达到99.9%。基于SVM网络的光纤光栅反射光谱类型识别效果明显,为提高光纤传感网络的可靠性提供新的思路。

基于SSA-SVR的光纤压力传感器温度补偿研究

针对光纤压力传感器存在的温度漂移问题,提出了基于麻雀搜索算法优化的支持向量回归(SSA-SVR)的温度补偿模型。对光纤压力传感器进行标定实验,并采用温度传感器LM35实时检测其工作温度,进而建立SVR温度补偿模型。利用SSA优化SVR的超参数,以改善温度补偿模型的补偿精度。研究结果表明,利用基于SSA-SVR的温度补偿模型对光纤压力传感器进行温度补偿后,其灵敏度温度系数和相对误差系数均提高了两个数量级,而最大绝对误差和最大相对误差只有0.5004 kPa和0.2501%,达到了温度补偿的目的。

四传感器光纤探针测量气泡速度矢量模型

光纤传感器作为纤维光学领域中的新技术,在两相流动局部参数测量中得到了越来越广泛的应用。在假设气泡对称面垂直于气泡运动方向的基础上,对四传感器探针测量局部瞬时气泡速度的数学原理进行了详细推导,给出了新的计算气泡速度矢量的方法和模型,并运用自制的四传感器光纤探针,对气液两相流动中的气泡运动速度和方向进行了测量。实验中通过探针方法测得气相流速相对于流量计测量值的平均偏差为9%,表明新的探针测量方法精度较高,能够用于两相流中气泡速度矢量测量。进一步的实验研究表明,不同流动条件下,局部空泡份额及界面面积浓度(IAC)沿通道径向呈'壁峰型'或'核峰型'的分布规律。

填充甲苯的高温度灵敏度双芯光子晶体光纤

为进一步提高光纤温度传感器的灵敏度,同时抑制偏振态漂移、模间干扰,提出一种新型双芯光子晶体光纤(PCF)温度传感结构。采用COMSOL建立温度传感模型,在其近芯区的椭圆孔内填入甲苯,利用全矢量有限元法(FEM)研究不同结构参数和填充液体对温敏特性的影响,通过分析双折射变化规律得到最优参数选择方案。基于萨格纳克干涉传感原理,对最终所得光子晶体光纤的温敏特性进行仿真验证,获得温度与透射谱的对应关系。结果表明,该光子晶体光纤的灵敏度约为9.56 nm/℃,光纤长度小于传统光纤传感单元,温度传感区间为-90℃~105℃,适于低温与常温范围内的高灵敏度温度传感。

基于支持向量机的绝缘子污秽度在线监测的研究

随着工业的迅速发展,绝缘子污秽度过大发生的闪络事件增多,给国家造成很大的经济损失。现有的绝缘子污秽度监测技术存在很大的弊端,本文以光纤传感器作为核心,将支持向量机原理技术和绝缘子污秽度监测结合在一起,在支持向量机中进行数据训练,将光功率损耗率、温度、湿度和污秽度等级联系起来。通过实际测量和支持向量机输出数据进行对比分析,结果表明本文所提方案的可靠性和有效性。

光纤矢量水听器系统本底噪声的自适应抵消

本底噪声是制约干涉型光纤矢量水听器系统在低频远距离目标探测领域中应用的重要因素之一。为降低系统的本底噪声,提出了一种基于自适应噪声抵消的降噪方法。在光学系统中增加一个与传感迈克耳孙干涉仪结构参数相等的对声压不敏感的参考干涉仪作为参考通道,以获得由光源与电路等共同噪声源引入到各干涉仪的高相关噪声。然后,使用归一化均方根误差的自适应算法分别对声压及加速度信号中与参考信号高相关的噪声部分进行抵消。湖试数据的分析结果表明,该方案能够有效降低系统本底噪声,其中对电磁干扰带来的50 Hz倍频信号的抑制能力高达15~25 dB,对500 Hz以上的平坦噪声谱的抑制为3 dB左右。

基于顺变柱体和膜片复合结构的压差式光纤矢量水听器研究

设计了一种基于顺变柱体和膜片复合结构的矢量光纤水听器。对水听器的传感原理和矢量生成原理进行了理论模型分析,得出了水听器相移灵敏度的数学表达式,讨论了传感器的设计参数,并按照设计参数制作了水听器探头。在国防水声一级计量站做了传感器相移灵敏度频响曲线和"8"字形方向图的测试实验。实验结果表明,当频率为800 Hz时,此种复合结构的水听器相移灵敏度很高,能达到-155 dBre rad/μPa(0 dB=1 rad/μPa),并且实验测试值与理论计算值基本吻合,偏差之处分析其原因主要由于理论模型不够精确和测试装置与固定装置有谐振造成。

基于选择填充光子晶体光纤的二维弯曲矢量传感器设计

利用模式耦合理论和有限元求解方法,研究了基于选择填充光子晶体光纤(PCF)的耦合器对弯曲的响应。引入等效折射率(RI),将弯曲波导简化为直波导,仿真确定耦合波长并分析器件弯曲传感性能。研究表明,耦合波长的移动与弯曲曲率呈线性关系,并指示弯曲方向;耦合波长由填充液体折射率和空气孔直径决定;弯曲灵敏度取决于填充孔与纤芯距离。利用此规律,设计了基于选择填充PCF的二维弯曲矢量传感器。在PCF截面上选择相互正交的2个空气孔,分别填充不同折射率液体,2条液体波导各自与纤芯形成耦合器,监测2个耦合波长变化即可求解器件的弯曲曲率及在二维空间中的弯曲方向。该传感器具有良好的设计柔性与制备可控性,具有良好的应用前景。

利用支持向量机补偿温度对光纤光栅传感的影响

不同于以往温度、应变与光纤Bragg光栅(FBG)峰值波长偏移量之间的数学模型,本文提出利用支持向量机(SVM,support vector machine)补偿温度的影响,并以FBG压力传感器为例,利用标定的压力传感器数据对SVM模型的惩罚系数C和径向基核函数(RBF)核参数γ进行优化,得到SVM温度补偿模型,选择核参数γ为100、惩罚系数C为16。经过补偿后,压力传感器的零位温度系数和灵敏度温度系数由补偿前的34.5%/℃和34.2%/℃减小到1.7×10-5%/℃和7.7×10-5/%/℃。充分说明,利用SVM补偿温度对FBG压力传感器的影响是有效的。

光纤束传感器测量叶片同步振动幅值的研究

基于叶尖定时测振原理,设计了用于叶尖定时的光纤束式传感器,并对速矢端迹法叶片同步共振的分析方法做了理论推导以及对测量过程做计算机仿真。将该方案在某型号航空设备上进行模拟实验,分析结果与理论模型相符,所测幅值与应变片测量的结果基本一致。