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。

多芯光纤光栅形状传感性能与重构误差研究

多芯光纤光栅形状传感技术利用空分复用以及应变监测的优势,结合不同的栅点布设方案,实现待测对象的连续曲率和形状传感。首先介绍了多芯光纤光栅曲率和挠率传感原理,提出采用齐次矩阵变换的三维重构算法实现光纤的三维形状重构。为了探究不同光栅密度对实验精度的影响,利用算法编程模拟了不同光栅间距下的三维形状重构精度,依据模拟仿真的结果,建立了不同光栅间距与三维重构误差之间的关系。三维形状传感实验使用光栅间距为10 cm和5 cm的七芯光纤光栅串。实验结果表明,最大误差出现在尾点处,分别为2.56 cm和1.15 cm,占全长的3.2%和1.4%,平均误差为1.32 cm和0.62 cm,占全长的1.7%和0.8%。实验结果与仿真值比较接近,说明可以依据仿真结果对不同光栅间距下的三维形状误差进行预测。结合具体的应用场景合理配置测点资源,在较低的成本范围内实现高性能的检测。

光纤形状传感器封装过程中残余应力的分布式实时监测

设计了一种柔性细径光纤束形状传感器及其注胶封装装置,采用光频域反射仪的分布式应变测量技术,实验探究了形状传感器在封装过程中胶水材料及配比对残余应力的产生、积累和分布情况的影响。实验结果表明,胶水交联反应使得光纤产生的残余应变随着固化时间的推移逐渐增大,且形状传感器中3根光纤的残余应变随时间的积累以及沿光纤轴向的空间分布具有一致性。经过约16 h的固化反应后,3根光纤的残余应变达到最大值并稳定保持在80~100με范围内。该研究成果最大限度地减小光纤形状传感器封装过程中的残余应变,为高精度形状测量提供了基础。

基于分布式光纤形状传感的沥青混合料车辙变形监测研究

车辙是沥青路面典型的病害形式,其现有的检测及评估方法大多存在表观性。因此,对沥青路面结构内部车辙的演变过程、横断面形状进行监测和评估具有重要意义。引入分布光纤形状传感技术,研发了可用于沥青路面的柔性分布式光纤形状传感器,通过理论分析和标定试验明确了其形状测试原理。将分布式光纤形状传感器植入车辙试件,采用光频域反射设备(OFDR)对室内车辙试验进行了加载全过程的实时监测,获取了沿车辙横断面上各测点的时程应变数据。进而,采用空间曲线理论中的Frenet-serret方程,提出基于分布式光纤传感技术的车辙横断面二维形状重构算法,得到发生累积变形时分布式光纤形状传感器的形态演变曲线。提取重构曲线中荷载作用位置处的位移与车辙仪位移传感器数据进行对比,平均相对误差仅为0.981%,证实上述方法可以实现车辙变形的准确监测。最后基于重构得到的车辙横断面形状,分析车辙变形的演变规律,结果表明其与沥青路面永久变形发展阶段中的压密、流动过程具有较好的对应关系。创新性地提出了基于分布式光纤形状传感技术的沥青混合料车辙变形监测方法,有助于明晰沥青路面结构内部车辙类病害的发展规律和横断面形态,为道路基础设施全寿命周期内服役性能的评估和管养提供了新思路。

光纤激光器的新进展

简要地介绍光纤激光器的基本结构、特点及其在光纤通信中的应用,着重描述了双包层掺杂光纤激光器和任意形状光纤激光器,指出高功率光纤激光器在激光技术领域(如激光加工、光电探测、生物医疗、光存储等)中的广阔应用前景。

基于光功率损耗的外绝缘表面污秽度检测系统影响因素研究

为了提高基于光功率损耗的绝缘表面污秽度测量方法的精度,搭建了基于裸光纤的表面污秽度检测系统。基于该系统,对盐溶液浓度、灰悬浊液浓度、光纤形状、光源类型和光纤类型对表面附盐导致的光功率损耗的影响进行了实验研究,并对实验结果进行了较为深入的理论分析。实验结果表明:随着盐溶液浓度的增加,光功率损耗逐渐增大;灰悬浊溶液浓度对光功率损耗影响不大;采用U型光纤时的光功率衰减比直线型光纤更显著;采用宽谱(多纵模)光源时的光功率衰减比窄谱(单纵横)光源更显著;采用多模光纤的光功率衰减比单模更显著。理论分析结果很好地解释了以上实验结果,验证了实验结果的可靠性。进行基于光纤的外绝缘表面污秽度测量时应采用U型状态、半导体光源和多模光纤以提高测量精度。

柔性超声阵列和形状传感光纤用于曲表面工件成像检测

介绍使用扁平柔性超声阵列和形状传感光纤对曲表面工件进行无损检测与评价的新案例。阵列贴合曲表面时,用此新法能直接测出其阵元位置。因而,检测几何形状复杂的工件时,超声对内部缺陷能正确成像。此法提供的多项优势,明显优于其他检测方法,特别适用于可达性有限的现场检测。展示了新系统的实验过程和结果,可望推行于曲表面工件在制检测。

刮板输送机直线度光纤精准感知与调直关键技术

煤矿智能化是实现煤炭工业高质量发展的必由之路,围绕煤矿智能化开采技术、刮板输送机直线度感知与调直技术、光纤形状传感技术现状及发展趋势,介绍了刮板输送机直线度光纤精准感知与调直的关键技术。针对刮板输送机形态感知不全面,感知信息可靠性差、感知精度低以及刮板输送机直线度调直不具备实时性、调直误差大等问题,基于“科学采矿”和“煤炭精准开采”理念,提出了智能工作面刮板输送机直线度光纤精准感知与调直的研究技术路线。首先建立刮板输送机形态监测模型并开发光纤形状传感重构算法,然后研究在纯弯曲、旋转以及扭转受力下光纤形状传感器中心波长的响应特性,提出光纤形状传感器纯弯曲与旋转、扭转分离的理论方法,构建光纤形状传感器的误差补偿模型;其次研究基于LSTM神经网络算法的刮板输送机直线度误差预测模型,对刮板输送机的目标轨迹进行动态预测,建立刮板输送机目标调直轨迹的修正模型和刮板输送机调直理论模型;最后开展了刮板输送机直线度光纤感知系统的具体工程应用,实现了刮板输送机形态的实时曲线显示、历史数据及曲线查询、数据存储、自动预警/报警等功能。研究成果为研究智能化工作面刮板输送机形态感知与调直控制提供理论基础和现场实践经验。

Propagation characteristics of six-core photonic liquid crystal fibers

We demonstrate a new kind of multi-core photonic liquid crystal fibers (PLCFs) which have six liquid crystal cores arrayed in the ring-type geometry and separated by the air holes. Through analyzing the structure of this kind of PLCFs, it can be found that they have the ability to resist the structure deformation. Due to the effective index of the liquid crystal can be adjusted by temperature and wavelength, the energy in the six liquid crystal cores is increased with the temperature increasing and wavelength decreasing. The effective index of the PLCFs is decreased, the effective fundamental mode area is increased and the dispersion properties are gently affected with the wavelength increasing and temperature decreasing.

Structural Health Monitoring of Different Geometry Structures With Optical Fiber Sensors

In this paper, we describe the structural health monitoring of several structures, with different geometry, materials and behaviors, using optical fiber sensors. Those studies aimed to demonstrate the feasibility of such technologies in structural health monitoring, with all the advantages inherent to the optical fiber technology.