基于有源光纤光栅阵列的局部放电声发射检测与定位技术

针对现有光纤超声传感器复用系统光路繁琐、传感器无法实现多点同步测量等不足,该文提出一种基于有源光纤光栅(fiber bragg grating,FBG)阵列的局放声发射传感检测方法。通过抑制系统的弛豫振荡噪声、引入不平衡干涉仪和声光调制器将微小波长变化的检测转化为相位变化进行解调,使系统检测灵敏度明显提高;理论推导并验证非平衡干涉仪臂长差优化设置方案,使光纤超声传感阵列各传感元检测下限比压电陶瓷换能器(piezoelectric transducer,PZT)低17.1%~19.7%。在此基础上,开展变压器油中局部放电检测与定位实验。实验表明:在1000mm×1000mm×1100mm的油箱内定位精度小于40mm;对于变压器油中悬浮放电模型,有源FBG的局部放电检测起始电压比PZT低22.2%,可测放电量低24.0%。结果可为变压器油中局部放电提供一种高灵敏度的检测与定位方法。

基于全同超弱反射光纤光栅阵列的实用解调系统研究

基于实现长距离多测点的准分布式传感系统的需求,提出了一种应用于全同弱反射光栅阵列传感的解调算法,采用了可调谐光源扫描法和相应的寻峰算法作为系统解调算法,通过在相同温度不同光源强度下和相同光源强度不同温度下系统的稳定性和线性度实验,检验了系统的稳定性和线性度。当选择反射率小于0.01%的弱反射光栅时,解调系统可以满足8公里的测量长度,约8 000个传感测点的需求。在解调系统线性度实验中当实验温度步进为0.5℃时拟合系数可以达到0.995以上。

密集切趾光纤光栅阵列制备及其准分布温度传感的实验研究

针对小范围热源温度探测的需求,在线制备了密集切趾的光纤光栅阵列,采用光波长时域反射解调技术和光时域分段解调技术对切趾光栅阵列传感网络信号进行解调,实现了对小范围热源温度变化的精确测量。模拟了高斯切趾光栅的旁瓣抑制效果,结果显示高斯系数G=4时,可获得较好的谱型和较高的旁瓣抑制比。采用在线光栅阵列制备系统制备了旁瓣抑制比为20.74 dB的密集切趾光栅阵列,温度实验结果显示,传感网络的时域分段精度可达1 m,空间分辨率可达10 cm,温度灵敏度为10.15 pm/℃。该系统可应用于电缆廊道、地铁等环境下的小范围热源温度探测。

光纤光栅阵列传感器件及检测技术

光纤光栅及其应用是光纤通信、光纤传感领域的高新技术。光纤光栅传感是将光输入光纤光栅，并在一定条件下发生反射，反射光谱在该波长处出现峰值。由此可以得出待测物理场(如应变、压力、温度、振动、位移、电流、电压、加速度、流量、冲击、损伤等)的变化。把多个不同中心波长的光纤光栅排成阵列，可组成多点分布式阵列传感器。

基于PGC解调的弱光纤光栅阵列干涉式温度传感方法研究

海洋温度监测对于研究和保护海洋生态环境具有重要价值,在防止海洋自然灾害的发生方面有着极重要的实际意义。传统的电传感器远距离供电难,且难以满足大规模传感网络的复用需求。基于弱光纤光栅阵列的干涉式传感系统平台,提出了运用相位生成载波(Phase Generated Carrier,PGC)算法解调温度信号的干涉式高精度温度传感方法。在26.00~30.00℃的范围内连续升温测量,温度相位灵敏度为1 132.6 rad/℃,皮尔逊平方相关系数R2为0.999 3,理论上温度灵敏度可以达到0.000 1℃。结果表明,将常规用来解调动态信号的方法应用到温度这种准静态信号的解调中,能实现高灵敏度探测,在海洋温度监测应用中有较好的应用潜力。

基于光纤光栅阵列的金属构件应力检测研究

针对多工况环境下大型装备安全在线监测的应用需求,采用分布式光纤光栅传感阵列对金属构件关键部位受力状态进行检测,从而实现重大装备的结构安全监测。通过对影响光纤光栅传感器应变传递率的各种因素进行理论分析,确定适用于发动机连杆机构的传感测点粘贴方法。将光栅阵列粘贴在发动机连杆构件关键部位,通过不同工况的拉伸、压缩荷载实验,获取各测点的实测应力值,并与应变计、理论计算值进行比较,结果表明静荷载下实测应力值与理论值吻合度较高。由此可知,将分布式光纤光栅阵列技术应用于大型装备零部件应力应变检测是可行的。

基于光纤光栅传感阵列和BP神经网络的悬臂梁裂缝损伤识别

本文介绍了光纤光栅应变传感阵列的传感原理和BP神经网络算法,实验研究了光纤光栅传感阵列检测金属悬臂梁在受力状况下有损和无损情况的应变变化,以悬臂梁应变的变化量作为神经网络的输入数据,利用BP神经网络算法对金属悬臂梁的损伤进行损伤识别。通过网络的学习和训练,BP神经网络的实际输出和期望输出十分接近,由此说明,光纤光栅传感阵列结合BP神经网络可实现金属悬臂梁的裂缝损伤识别。

阵列光纤光栅频谱合束技术研究

文章提出一种新型的基于阵列光纤光栅(AFG)的频谱合束结构,该结构的优点是输出光斑具有较好的单模特性,且系统的可靠性和可扩展性较强。应用高斯模场近似的方法,对这种结构的性能做了仿真分析,仿真结果表明,这种结构的衍射效率高,输出光斑尺寸小,单模特性好。

基于光纤Bragg光栅传感器阵列的智能周界安防系统

为了克服现有技术存在分辨率低、监测距离有限、价格昂贵等特点,提出了一种基于光纤布拉格光栅传感器(FBGS)阵列技术的周界入侵行为感知增敏方法及系统。采用全同光栅阵列技术提高系统复用能力,使得相同长度防区内传感器数量成倍增加,从而大大提高了系统感知外界入侵行为的灵敏度;采用特殊的传感器封装工艺和敷设方法进一步提高了系统感知外界微小振动灵敏度;结合时域、频域分析方法智能识别外界入侵行为,降低系统误报率。相比传统光纤光栅周界防入侵技术,系统具有米(m)级空间分辨率、误报率极低、监测距离更长、性价比高等特点。

基于B样条拟合的光纤光栅机敏柔性结构形态重构

研究了细长机敏柔性结构的三维形态拟合与重构方法以实现高性能飞行器结构形态主动监测。首先,介绍B样条曲线拟合基本原理,分析基于正交曲率信息的空间三维曲线重构算法和实现步骤,并进行了数值仿真分析;构建了机敏结构模型和实验环境,基于Visual C++平台和OpenGL技术开发了可视化软件;然后,描述正交分布式光纤光栅传感阵列曲率检测方法,分析与验证了实验模型结构的三维空间形态拟合与重构实验;最后,采用B样条与线性插值两种拟合算法分别对半径为50 cm的标准圆形态进行坐标拟合和对比。实验结果表明,B样条拟合算法具有更好的拟合重构效果,其拟合坐标标准差是线性插值拟合算法的40%。光纤光栅机敏柔性结构空间形态重构与可视化效果良好,验证了B样条拟合算法的高精度和低误差特性。

基于超弱光栅阵列的管道泄漏监测研究

针对长距离输水管道泄漏安全监测问题,采用干涉型分布式超弱光纤光栅阵列振动传感技术,构建一种非侵入式、安全可靠的管道泄漏实时在线监测系统,通过搭建模拟实验测试平台,对不同流速与压强条件下管道泄漏导致的振动信号进行测量和监控,实现不同管道泄漏特征的定性与定量分析。实验结果表明,该系统能够在线监测并及时诊断输水管道泄漏情况,对泄漏测量精度大于99%,且能准确定位管道泄漏位置及其泄漏流量。

分布式大容量光纤光栅传感网络的组网技术

基于光纤光栅复用传感原理,结合F-P可调谐滤波技术,采用波分复用与空分复用相结合的方法构建光纤光栅复用传感网络,并对传感网络中的电源、可调谐滤波器、光电探测器、光开关及传感光纤光栅阵列的组成等进行分析和选择,提出了结构优化的分布式、大容量光纤光栅传感网络的组网方案。通过在光路中使用F-P标准具和参考光栅对波长值进行标定和校准,提高了传感系统的测量精度,为构建大容量、高精度、实时性强的光纤光栅传感系统提供了设计参考。分布式大容量光纤光栅传感网络在多点、多参量和大空间范围传感测量领域具有广阔的应用前景。

基于窄线宽扫频光源的高分辨率阵列式光纤光栅温度传感系统

高精度温度传感器在地球物理、海洋科学、石油化工等领域具有广泛应用。针对传统光纤光栅温度传感器分辨率较低的问题,提出一种基于光纤光栅的高精度多点复用温度传感系统,该系统采用封装好的不同中心波长的π相移光纤光栅作为温度敏感单元,以扫频激光器和波分复用技术检测各光纤光栅谐振波长,并引入氰化氢标准气体吸收室作为波长参考,用非平衡马赫-曾德尔干涉仪补偿光源扫频过程中的非线性,以提升波长测量精度。实验实现了对10个温度传感探头的同时探测,温度分辨率达到10^(-4)℃水平,测量范围达到0~100℃。该光纤光栅温度传感系统在高精度温度测量领域具有广阔的应用前景。

耐高温光纤布拉格光栅阵列在线制备与性能研究

提出了一种耐高温光纤布拉格光栅阵列(FBGA)的制备方法。通过在拉丝塔上以聚酰亚胺作为涂层材料,利用相位掩模版技术和单脉冲在线刻写光栅,经过多次涂敷、烘干以及最后酰亚胺化,成功得到涂层直径为145~150μm,中心波长范围为(1551.35±0.1)nm,反射率为0.06%,传输损耗为1.601 dB/km@1550 nm的聚酰亚胺涂层光纤布拉格光栅阵列(PI-FBGA)。然后对PI-FBGA的热稳定性和可靠性进行研究,结果表明,在线制备的PI-FBGA具有良好的热稳定性及可靠性,能够在300℃以下长期使用,300~400℃可短期使用。该传感光纤的成功制备扩大了常规在线弱光栅阵列的应用范围,在石油化工、环境监测、航空航天等领域具有广阔的应用前景。

分布式光栅传感技术在电缆廊道火灾报警领域的应用研究

为了满足葛洲坝船闸电缆廊道内动力电缆的火灾报警监控系统的高等级防护需求,提出了基于分布式光栅阵列传感技术的新一代感温火灾报警系统。该系统采用基于拉丝塔技术的全自动光纤光栅在线制造工艺,利用信号解调技术构建大容量波分、时分混合复用的传感器网络,实现了对电缆廊道内温度场及电缆表面温度状态信息的实时监控。测试表明该技术在动力电缆廊道内正弦曲线形敷设,能够准确响应10cm空间范围的小规模火源,并输出相应的报警信号,能够满足高等级防护需求的电缆廊道内动力电缆的早期火灾准确快速报警的应用需求。

FBG阵列波长偏差对OCDMA系统误码率的影响

文章给出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)阵列的可调谐二维编解码器结构。重点分析了在波长不匹配时由于编解码器解码输出的自相关峰值功率削弱,进而劣化系统的误码率的情况。仿真了随着跳频扩时(TS/WH)码字参数的变化,编解码器在相应波长发生偏差条件下的解码输出功率和误码率。分析结果表明,当波长偏差0.1 nm时,对于跳频个数为31的编解码器,系统的误码率仍然<10-9,因而可以通过增加跳频波长数来降低编解码器对调谐精度的要求。

端面反射引起的光纤光栅传感阵列的串扰分析

对光纤端面反射引起的光纤光栅阵列的信号串扰进行了理论分析和计算,并通过实验测试了端面反射引起的传感阵列阵元的信号串扰值。根据阵列信号串扰产生的机理提出了光纤端面反射的抑制方法,通过实验对该方法进行了验证。对光纤端面反射进行抑制后,实验得到阵列端面反射引起的串扰小于-70dB,可满足光纤光栅传感阵列的实际使用需求。

面向密集光纤布拉格光栅传感网络的微波光子解调技术研究

传统基于频域-时域变换的微波光子解调技术应用于光纤布拉格光栅(FBG)传感网络时,为精确解调每一个FBG峰值,须确保对应时域响应信号不发生叠加,这对传感网络中FBG的空间间隔和波长间隔提出了严格要求,限制了微波光子解调技术的应用范围。针对存在的问题,将一种有效的元启发式算法,即算术优化算法(AOA),引入到基于频域-时域变换的微波光子解调技术中,实现了在时域信号叠加下对FBG的精确解调。实验构建了包含6个FBG的传感网络,通过对某一FBG施加轴向应变,验证了在时域信号部分叠加和完全叠加下AOA对FBG峰值解调的可行性。此外,与其他6种元启发式算法进行对比分析,验证了AOA在解调精度、解调速度与收敛效率等方面的性能优势。AOA提升了微波光子解调技术面向密集光纤布拉格光栅传感网络的解调能力。

基于光纤布拉格光栅阵列的刀头磨损实时在线检测

针对现有的刀头磨损检测方法检测难度大、无法实时监测的缺点,提出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)阵列的刀具磨损检测新方法。在实验上搭建了多路光纤光栅磨损检测系统,通过对光纤光栅的定位和波分复用能力进行分析,得到了可应用于刀头磨损检测领域的嵌入式光学传感器,将4根栅区长度为3 mm的FBG阵列等间隔分立布置,并同时进行解调。利用该方法实现了对磨损长度的在线实时监测,磨损检测误差在0.23 mm以内。

基于光栅阵列传感的线型结构体应变监测研究

线型结构体应变监测技术在大型结构安全监测等领域中应用需求广泛。光纤传感技术中的新一代光栅阵列传感技术具备传感单元密度高、应变测量精度好、响应速度快、抗电磁干扰、可靠性高、使用寿命长等技术优势,能够有效提升线型结构体应变监测系统的各项性能指标。通过在实验室场景下开展模拟试验研究,显示了光栅阵列传感技术能够检测到线型结构体的变形过程及瞬时状态,具备较快的响应速度及较高的监测精度,证明了该技术在线型结构体分布式应变监测实际应用中的可行性。