光加热光纤光栅阵列液位测量方法研究

安全可靠的液位测量是现代工业领域的重要技术需求之一,提出一种基于光加热光纤光栅阵列的液位测量方法,即利用泵浦光加热掺钴光纤,控制温度场,利用光栅阵列测量温度场分布,由于气液导热性能的差别,气液界面处温度突变,从而确定液位。实验中,将掺钴光纤与密集光栅阵列紧密固定在一起,将1.5 W的泵浦光输入衰减系数分别为0.71 dB/cm和0.28 dB/cm的掺钴光纤中,沿着光传播的方向,温度变化均呈指数函数衰减。液位测量的精度与范围由主要取决于泵浦光功率、掺钴光纤吸收系数,经对比最终选定0.28 dB/cm的掺钴光纤作为液位实验的加热光纤。实验测量了不同液位下的温度场分布,证明了利用测量温度分布来测量液位的可行性,液位变化范围0~88 mm以内的误差为2 mm。所提出的传感系统结构简单,成本低廉,在液位测量方面具有潜在的应用价值。

相位掩膜法制作光纤布拉格光栅的研究

光纤光栅是一种新型的光纤器件,在光纤通信和光纤传感等领域有重要的应用。本文介绍了光纤布拉格光栅的光学特性和光谱特性,介绍了相位掩膜法制作光纤光栅的相关实验。在激光脉冲能量300m J、激光脉冲重复频率8Hz、成栅时间160 s的实验条件下,获得了中心波长1083nm、带宽0.1nm、反射率99.96%的高质量光纤光栅。

非饱和土水分迁移感测的主动加热光纤光栅法试验研究

非饱和土水分迁移是诱发多种地质灾害和环境岩土问题的重要因素,对其机理的认识因测试技术的不足尚不明确。为探究主动加热光纤光栅(AH-FBG)法监测非饱和土水分迁移的效果,分析单探针和双探针AH-FBG法的误差来源及分布特征,开展了一组室内土柱试验。在试验中同时采用AH-FBG法和传统的频域反射(FDR)法监测毛细水上升和水分蒸发的全过程,对比单探针法和双探针法的监测精度,分析不同方法的适用工况。结果表明:基于单探针AH-FBG的3种数据分析方法中,热导率法的监测精度最高,但是单探针法在监测毛细水上升过程中,当湿润锋刚没过探针感测位置时,受纵向传热的影响会使得测量的含水率值偏低;相比于单探针法,双探针法受纵向传热的影响更大,监测土体水分迁移有较大误差,误差大小与测点位置处的土体含水率值及土柱纵剖面的含水率分布情况有关;为减小纵向传热影响,从传感器结构和数据处理两方面提出了AH-FBG法的改进措施。

一种简化的分析光纤布拉格光栅的时域有限差分束传输法

提出了一种便于分析光纤布拉格光栅(FBG)、基于强制边界条件的简化TD FD BPM模型.采用交替隐式法(ADIM)和综合道格拉斯(GD)法,离散化时域束传输方程,获得比普通差分格式低二阶的误差。提出并采用强制边界条件,简化了光波导分析中边界处理问题.重点讨论和确定了在此条件下激励源位置、脉冲形状和径向分布函数、连续波激励条件等.在修正的正弦脉冲激励情况下,通过离散傅利叶变换,直接得到较为理想的短FBG反射谱.此法可减少数值计算时间,直观反映光脉冲传输.

滑坡地下渗流流速的光纤光栅监测装置研发

地下渗流是影响滑坡稳定性的重要因素之一,实现渗流相关物理指标的实时有效监测是准确分析滑坡地下水响应规律和滑坡演化过程的关键.常规渗流监测装置无法兼具渗流速率和流向两个关键参数,且存在抗干扰能力弱、监测成本高、精度低的局限性.结合主动加热光纤光栅法的温度传感特性和地下渗流场中的热对流规律,研发滑坡体渗流速率和流向的光纤光栅监测装置,建立基于测孔温度光纤光栅示踪的渗流监测系统.通过开展模型试验对监测装置和监测系统的有效性进行验证,研究结果表明:通过对测孔各方位光纤光栅的温度特征值变化率kη实施监测,可准确识别地下渗流的流速和流向;在流速量程1.2×10^(-4)~3.0×10^(-4)m/s范围内,装置对渗流速率具有较好的线性度和监测能力,装置监测渗流速率的误差占比11.2%,渗流流向的识别精度为11°左右.该装置的研发为库岸滑坡体地下渗流的精细监测提供了一种新的方法和技术手段.

光子晶体光纤布拉格光栅慢光的研究

采用改进的全矢量有效折射率法和耦合模理论,研究了光子晶体光纤布拉格光栅长度、占空比、光栅周期与慢光的变化规律。结果表明当光栅长度和光栅周期不变时,随着包层空气孔占空比的增大,光栅的慢光峰值波长出现蓝移,且时延量逐渐减小;1.06 cm长的光子晶体光纤布拉格光栅可以产生约52 ps的线性时延;光栅长度越大,慢光时延量越大;优化结构参数,在光子晶体光纤布拉格光栅的时延谱的侧瓣附近会产生最大群速度为c/371的慢光峰。

基于布拉格光纤光栅的结构体变形监测

对大坝、隧道等结构体外部变形监测的手段较多且成熟,但对其内部的变形监测手段因为电类传感器、全球定位系统等应用的局限性,目前还难监测或者监测的成本昂贵且精确度不高。针对这个问题,利用布拉格光纤光栅,采用可调谐匹配光纤光栅法,设计了可远程控制的具有温度自补偿功能的动态变形监测系统。系统的分辨力为100 nm,非线性误差为150 nm,实验证明该方法用于结构体的内部变形监测不仅可行,而且成本较低,结构简单,灵敏度高,适合结构体内部变形监测的需要。

基于边缘滤波法检测的光纤光栅声波传感研究

针对裸光纤光栅在声波作用下的应变灵敏度过低导致难以检测到有效反射波长变化的问题,文章提出以光纤光栅纵向传感为模型,并在光栅周围涂上一层厚度远超光纤内径的低杨氏模量圆柱状涂覆层,以增加光纤光栅的应变灵敏度,并用相移光栅反射谱的线性区作为边缘滤波法边缘来提高激光检测的灵敏度,利用传输矩阵法仿真分析光栅反射谱及激光反射率曲线。仿真结果表明,声波纵向传感模型的应变灵敏度要优于横向传感模型,且低杨氏模量的涂覆层可以显著提高光栅的应变灵敏度,在频率低于1.7 kHz的声波作用下,涂有聚氨酯涂覆层的光纤光栅纵向传感灵敏度达到了6.1 nm/MPa,是裸光纤光栅的381倍,结合相移光栅反射谱线性区综合灵敏度提升2203.6倍,有效地提升了光纤光栅在声波检测方面的灵敏度。

基于主动加热光纤法的毛细阻滞入渗模型试验研究

毛细阻滞效应是多层、不同粒径非饱和土入渗过程中的一个自然现象。为了探究多层土水分入渗的毛细阻滞过程,设计了室内模型试验,采用主动加热光纤法(AHFO法)对多层土的水分迁移进行试验,并结合频域反射法(FDR法)和直接观测法作为验证。试验结果表明:相较于FDR法和直接观测法,AHFO法对降雨入渗所产生的毛细阻滞现象具有较好的观测效果,可观测出水分运移的更多细节;运用FDR法,对AHFO传感器进行原位标定,曲线拟合精度R2均大于0.93,具有较高的体积含水率监测准确度;毛细阻滞层对降雨入渗具有明显的阻滞效应,即存储屏障上部入渗和减少水分向下部水体渗出。相关研究结论为毛细阻滞现象研究以及土壤水分场监测提供了一种新的监测方法。

基于布拉格光纤光栅的微位移传感器的研究

微位移测量是目前热点研究领域,光纤布拉格光栅作为良好的传感元件,已被用于微位移测量领域。本文首先对布拉格光纤光栅传感的基本原理进行了分析,在此基础上设计制作了一种光纤光栅位移传感器。采用布拉格光纤光栅作为传感元件,利用自解调法进行波长解调,然后设计一整套传感系统,对微位移量进行了传感测量。利用激光干涉仪和PI微动平台对系统性能进行测试,实验结果显示传感系统分辨率达到50nm,系统回零重复性的误差26nm,系统的灵敏度为21mV/μm,最大非线性引用误差为2.45%。

基于光纤布拉格光栅的超声无损检测系统研究

针对传统超声无损检测系统易受电磁干扰、使用场合受限等问题,在分析光纤布拉格光栅(FBG)基本传感原理和光纤布拉格光栅对超声波的传感特性的基础上,提出基于光纤布拉格光栅的超声无损检测系统。搭建了实验系统,利用信号发生器和功率放大器激励压电晶片产生超声波,并通过光纤布拉格光栅代替传统超声探头检测超声信号,采用结构简单、复用性好、检测效率高的透射式匹配光栅解调法实现光纤光栅波长信号的解调。对含有不同尺寸的狭缝缺陷的铝板试样进行检测,得到了超声波经过不同缺陷后的时域和频域信号,实验结果表明,该系统能够准确识别铝板中不同尺寸的缺陷,当铝板中有狭缝缺陷存在时,FBG探测到的超声信号的幅值会发生衰减,且缺陷尺寸越大,超声信号的幅值衰减越明显,验证了该系统的可行性。

基于主动加热光纤法的冻土相变温度场特征分析

冻土温度场分析对于冻土特性研究及冻土地区工程建设具有重要的作用,而冰水相变所产生的相变潜热大大增加了冻土温度场分析的复杂性。针对该问题,基于线热源模型和冻土传热基本理论,在考虑未冻水和相变潜热的情况下计算了冻土导热系数、体积热容和相变热容,分析其与测量初始温度的关系;在分析结果的基础上,对冻土含冰量的光纤测量技术进行了理论修正。基于主动加热光纤(AHFO)法,开展了一系列室内验证试验:在恒定的加热功率和时间下,采用自主研发的光纤光栅(FBG)刚玉管传感器,对同一初始含水量的冻土试样进行温度监测。结果表明:在本文试验条件下,FBG刚玉管传感器的影响半径小于5 cm,可以忽略边界效应;传感器所测温度增量与时间对数线性关系良好,主动加热对于冻土导热系数影响较小,线源模型适用于冻土导热系数测量;冻土导热系数与试验初始温度呈线性增长关系;在初始温度低于-6℃时,相变热容趋于稳定;在-6~0℃时,相变热容随温度升高逐渐增大,且变化趋势愈渐强烈;当初始温度高于-5℃时,相变热容甚至大于冻土自身的体积热容。相关结论为进一步提高冻土含冰量测试技术的精度提供了参考。

不同环境温度下土体含水率主动加热光纤法监测试验研究

近年来,主动加热光纤(active heated fiber optical,AHFO)法因其具有长距离、耐久性好、分布式等优势,在土体含水率原位监测中不断得到应用。然而,由于我国一些地区土体的温度随四季变化很大,冬季土体温度甚至会达到零下几十度,土体中的水会发生相变,因此,研究不同环境温度对土体含水率AHFO法原位监测结果的影响具有重要意义。采用自主研发的内加热FBG刚玉管传感器,在-20~40℃下对3个不同含水率的试样进行了测试。研究结果表明,在试样含水率不高于8.8%时,不同温度下测得的试样含水率最大误差小于量程的1.5%,测量精度较高,在实际测量中可忽略环境温度的影响。当试样含水率高于8.8%时,正温区含水率测量的最大误差仅为量程的1.34%,测量精度仍较高;而在负温区时,由于自由水和毛细水在低于0℃时发生相变,导致热传递机制和试样结构发生变化,原来的标定公式不再适用,故需重新标定含水率测量的相关参数。研究结果为该技术的进一步完善和推广应用提供了重要依据。

级联光纤布拉格光栅光谱特性研究

从耦合模理论出发,用传输矩阵的方法数值模拟分析了二级联、三级联的光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱特性,实验测得的结果与理论模拟的结果基本吻合.

基于主动加热光纤法的土中含水率测定与蒸腾分割模型评价

植物的蒸腾作用会改变土的基质吸力,进而影响土的力学性质。文章选用三种不同蒸腾速率的鸭脚木、绿萝和常青藤,利用主动加热光纤法(AHFO)对植物根系周围土的含水率进行了分布式测试,研究了植物蒸腾过程中的水力作用,评价了常用的描述植物与土的水力交互作用的蒸腾分割模型。试验结果表明:植物对土中含水率的影响可用蒸腾分割模型进行有效描述,含水率变化受植物叶面积、根系密度、土层深度和蒸腾时间的影响;绿萝与鸭脚木叶面积指数和根系密度相近,二者引起根部周围土中的含水率变化值相近,为0.075 m3/m3,常青藤的叶面积指数和根系密度远远大于绿萝与鸭脚木。因此,常青藤引起的根部周围土中的含水率变化值远大于其他两种植物,为0.125 m3/m3;植物对土中水分运移的影响主要在土的表层10～15 cm深度范围内,深部位置的水分场几乎不受植物的影响;湿润后,植物对土中含水率的影响以干燥初期最为显著,主要由植物的被动吸水作用引起。

基于光纤布拉格光栅的电镀镍应力实时在线监测

利用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器的特性,监测电镀应力。采用单一变量法,在不同温度和主盐浓度的条件下分别进行了对照实验。测试结果表明,FBG中心波长在电镀应力的累积过程中响应灵敏,不仅可以很好地监测电镀应力的大小,也能表征电镀应力的变化;能够为改善电镀工艺条件提供有效的依据,具有简便性、实时性、精确性的特点。

结合光纤布拉格光栅与主成分分析的损伤识别

为了发展长标距光纤布拉格光栅(FBG)应变传感技术,采用主成分分析(PCA)方法剔除长标距FBG应变传感器动态响应数据中的冗余部分,获取重要数据特征,实现对结构损伤的识别。试验过程中,在钢梁表面上粘贴分布式长标距FBG传感器,在翼缘处采用分次切割的方式模拟不同位置和程度的损伤,使用激振设备通过扫频方式使梁振动,测得健康状态和不同损伤状态下FBG应变动态响应数据。使用PCA方法,分析健康状态和损伤状态下T2和Q统计量数据特征的变化,可以较为清楚地识别出结构的损伤情况。将2种统计量分析相结合,可以实现对损伤位置和损伤程度的识别。

光纤Bragg光栅传感系统典型寻峰算法的比较分析

基于LabVIEW虚拟仪器开发平台,分析了功率加权算法、高斯拟合算法、高斯-多项式拟合算法、一般多项式拟合算法和高斯-非线性曲线拟合算法对原始信号寻峰,比较误差均值和标准偏差。在改变波长分辨率、窗口大小、信噪比的情况下比较各种算法误差,并进行了实验验证。理论、仿真与实验均证明高斯拟合算法为最佳算法。

光纤Bragg光栅传感器的解调方法

本文介绍了光纤光栅传感的一般原理,综述了光纤光栅传感系统的多种解调方法,最后对以上各种解调技术的优缺点进行了分析和讨论。

基于NSGA-Ⅱ传感位置优化的曲面重构及误差补偿方法

通过优化光纤布拉格光栅形状传感技术中传感点位置和补偿重构结果来提高薄层合金板三维形状重构精度。通过ANSYS workbench建立合金板仿真模型,提取应变和位移模态振型,根据模态置信准则、转换矩阵稳定性和模态振型相似性分别设计了三个目标函数,采用快速和精英机制的多目标遗传算法优化传感器位置。将镍钛合金板弯曲成不同曲率半径的弧形,利用光纤布拉格光栅中心波长漂移量和线性插值算法计算得出不同形状下的结构应变,重构合金板形状,均方根误差和最大误差相较于单目标优化算法分别减小30%和15%。利用粒子群优化径向基函数神经网络算法拟合误差与位移的关系实现误差补偿,均方根误差和最大误差比无补偿时分别减小了90%和70%,最大相对百分比误差仅为5%,提高了三维形状重构算法精度。