少模光纤光栅温度和应变双参量传感研究

【目的】针对光纤布拉格光栅(FBG)传感时温度和应变的交叉敏感问题,文章对少模光纤(FMF)-FBG各个模式温度和应变的响应特性进行了研究,提出了一种四模FBG的温度和应变双参量传感器。【方法】FMF内可以同时传输基模和少数几个高阶模,兼顾单模光纤(SMF)低模式色散和多模光纤低非线性的优势,可以同时用于多个物理量的传感。通过分析FMF-FBG中LP 01模式在不同温度下应变的光功率灵敏度的不同,结合该模式下波长与温度和应变都有良好的线性度,从而实现了FMF-FBG的温度和应变双参量传感。【结果】研究结果表明,文章所提传感器可以较好地解决FBG传感时温度和应变的交叉敏感问题。【结论】相比于SMF-FBG,FMF-FBG同时拥有几个不同模式的反射峰,不仅可以解决温度和应变的交叉敏感问题,还可以大大提高传感的精度和稳定性,在新型传感领域有着很好的应用前景。

基于超声射频信号的支持向量机双参量B线识别方法

肺超声中的特殊征象B线对于临床诊断肺水肿等肺部疾病有重要意义,但诊断结果依赖于医生的主观判断。为了客观、自动地识别B线,提高诊断准确率,该文提出了一种基于超声回波射频信号的肺脏超声特殊征象B线识别方法。该文首先选取了射频信号的排列熵、信息熵、峰度、偏度、能量作为特征参数,利用独立样本t检验和单参数贝叶斯分类的方法检验超声射频数据中B线、非B线所对应射频数据的各个参量的差异性以及各参数与B线识别的相关性。然后将不同的双参量组合输入非线性支持向量机中进行分类,比较各个组合的分类效果。结果显示信息熵与排列熵参数组合基于射频信号的分类效果最好,分类灵敏度为90.521%,特异性为98.106%,准确率为96.328%,受试者工作特征曲线下面积等于0.95。在引入后处理算法后,B线识别效果有进一步提升,得到分类平均灵敏度为95.23%,平均特异性为97.22%,平均准确率为96.88%。研究结果表明基于射频数据的支持向量机双参量B线识别方法对辅助临床诊断具有重要价值,信息熵和排列熵的组合可以有效地对特殊征象B线进行高精度识别。

高灵敏双参量光子晶体光纤传感器的实现方法

提出了一种D型光子晶体光纤磁流体双芯填充的磁场和温度双参量测量传感器结构。通过缩小第1层空气孔的中心两个孔,增强共振效果,提升灵敏度。引入磁流体填充双芯的磁感通道和乙醇填充的温敏通道,实现高灵敏度传感与双参量传感。结果表明,传感器温度在-30℃~50℃,透射峰温敏度为1.239 nm/℃,线性度达0.9957,损耗峰温度光谱灵敏度为2.514 nm/℃,线性度达0.99717。外界磁场在10 mT~30 mT,透射峰磁场灵敏度为-3.799 nm/mT,线性度达0.99727,且温度的测量误差为1.135%,磁场的测量偏差为6.67%,具有灵敏度高、测量准确、结构紧凑及工艺简单等特点。该研究可进一步优化D型PCF-SPR(photonic crystal fiber based on surface plasmon resonance,基于表面等离子体共振的光子晶体光纤)双参量解调传感的设计。

长啁啾光纤光栅分布式双参量传感特性研究

针对在复杂条件下传统精密位置传感器易受电磁干扰,复合材料兼容性差等问题,提出了一种基于长啁啾光纤光栅的分布式位置与压力双参量传感器。建立了长啁啾光纤光栅双参量传感模型,通过数值仿真对长啁啾光纤光栅双参量传感器理论模型进行了验证。并建立了长啁啾光纤光栅双参量传感系统,实验表明该传感器对于位置参量在全量程范围内具有50μm的空间分辨率与99.99%的线性度;对于横向力具有0.003 399 d B/N的灵敏度系数与99.8%的线性度。该传感器可以应用于复杂环境下的精密横向力测量及定位。

双光纤光栅双参量传感系统优化设计与研究

运用矩阵范数理论对所建立的双光纤布拉格光栅(FBG)压力与温度传感系统系数矩阵的态性进行了研究。结果表明,传感器对压力与温度测量误差传递的稳定性主要取决于对压力与温度传感绝对灵敏度的配系,即与系数矩阵条件数大小有关。优化设计双参量传感系统的目标就是通过破坏系数矩阵中行间和列间各元素的近似线性相关性及减小各元素之间的比例,来减小系数矩阵的条件数。通过对金属机敏元件作为衬底的双光栅双参量传感器对压力与温度传感的绝对灵敏度的优选,将其压力与温度传感系统的系数矩阵条件数降为4.4,由此得到双FBG对压力与温度双参量测量的传递误差分别为0.68%和1.1%。

单光纤光栅的温度、压力双参量测量分析

介绍了一种以悬臂梁为基底,单光纤光栅为传感元件,测量温度和压力的方法。分析了温度和波长的非线生关系对测量结果的影响,给出了布拉格共振波长与温度的线性及非线性的适用范围。光纤光栅的裸光栅部分和预应变部分波长与温度的线性适用范围分别为:-11.2℃～89℃,22.5℃～62.5℃。在此测量范围内,温度和压力响应曲线具有良好的线性。相应的压力灵敏度系数和温度灵敏度系数分别为:0 nm/N,0.4082 nm/N,0.0128 nm/℃,0.1346 nm/℃。结果表明,该方法简单易行,为温度和压力的实际测量提供了便利。

光纤Bragg光栅传感器温度和应变的双参量同时测量

分析光纤 Bragg光栅传感器的温度应变交叉敏感机制 ,利用光栅对实现了温度和应变的双参量同时测量 ,有效的消除了交叉敏感对 FBG型传感器测量精度的影响 .

关于含双参量反常积分的分析性质

通过建立极限交换定理和极限与积分交换定理,得到了含双参量无穷限反常积分的连续性定理、求导与积分交换定理、积分顺序交换定理.最后给出了两个含双参量函数的连续性和以前结论的一个改进结果.

两种双强度悬臂梁压力温度双参量光纤传感结构分析

光纤布拉格光栅(FBG)传感器通常采用普通悬臂梁进行增敏传感,存在温度交叉敏感问题。针对等厚等腰双三角形悬臂梁结构和双厚度等腰三角形悬臂梁结构构成的两种双参量测量设计,采用Ansys和Matlab进行分析,发现等厚等腰双三角形悬臂梁结构在压力影响下不能在其表面产生双强度阶跃应变;双厚度等腰三角形悬臂梁结构在压力作用下其结构表面能产生双强度阶跃应变,温度对结构产生单强度应变影响。根据该特性,建立了解调模型,验证了双厚度等腰三角形悬臂梁结构传感器压力温度双参量检测的可行性。

一种新型双参量光纤布喇格光栅传感器的研制

介绍了一种新型的具有双参量测量功能的光纤布喇格光栅传感器。该传感器采用了特殊的结构,安装了两个不同中心波长的光纤布喇格光栅,可以实现两曲面之间狭小间隙的微小位移和温度的同时测量。实验表明,该传感器结构紧凑、体积小,具有良好的重复性和稳定性,位移测量误差不超过±10μm,温度测量误差不超过±2℃。

单布拉格光栅光纤压力温度双参量传感器的研究

光纤布拉格光栅(FBG)传感器采用普通悬臂梁对非温度物理量进行测量时,存在温度交叉敏感的问题.针对该问题,提出一种基于双厚度等腰三角形的双参量传感器悬臂梁结构,通过理论分析与仿真验证了该结构的可行性,并将单FBG光栅放置于该结构厚度变化交界位置构成双光栅传感.通过光纤传感理论推导和实验系统验证了温度、压力与FBG反射光谱的双波峰共模函数值、双波峰波长差之间的关系.实验结果表明该结构可以实现压力和温度的同时测量,通过双厚度等腰三角形悬臂梁传感结构可有效解决温度交叉敏感问题.

微小曲面内温度和间隙双参量测量的光纤Bragg光栅传感器的研制

介绍了一种具有温度和间隙双参量测量功能的光纤Bragg光栅传感器。这种传感器结构紧凑、体积小,具有良好的重复性和稳定性,可用于微小曲面内的温度和间隙大小的同时测量。实验表明,该传感器具有良好的重复性和稳定性,测量范围内,间隙测量误差不超过±2μm,温度测量误差不超过±0.7℃。

单光纤光栅传感器双参量应变结构及解调算法

为实现单光纤布拉格光栅传感器对两个物理量的测量,提出等腰双厚度三角形悬臂梁结构,形成双等强度应变,既避免温度交叉敏感,又解决光谱波峰偏移问题。针对该光纤光栅传感结构的反射光谱进行波长分割,获得分离的小波峰,并针对小波峰寻找中心波长位置,获得可用于解调的中心波长信息,实现双参量传感信号解调。实验结果表明,相较于质心中心波长求解法和高斯拟合中心波长求解法,双斜线交叉中心波长解调算法能更稳定、准确地实现两个小波峰等峰,实现温度解调,误差小于1℃。

考虑结构和成分影响的双参量岩土本构模型

通过对剑桥模型进行理论和工程上的评价,提出了改进剑桥模型的设想,建立了一个首次考虑结构和成分这一内在因素影响的双参量岩土本构模型,并对其进行了分析与讨论。

Gm-APD激光雷达的双参量估计透烟雾成像算法

利用Gm-APD(Geiger mode avalanche photon diode)激光雷达对浓密烟雾背后的目标进行成像时,烟雾对激光的强后向散射和吸收能力,严重限制了传统算法对淹没在烟雾信号中目标信号的提取能力。提出了一种基于双参量估计的Gm-APD激光雷达透烟雾成像算法,介绍了基于Gm-APD激光雷达的触发模型和根据探测概率求解实际接收回波信号的原理,并且基于光子与烟雾粒子的碰撞理论和Mie散射理论,详细推导了Gamma模型两个参数的物理关系。根据推导的关系式提出了一种双参量估计算法,该算法考虑了如何精确估计μ,k两个参数。最后,开展了仿真和室内透雾实验,利用仿真实验检验μ,k关系式的正确性,利用室内实验验证提出算法的透雾成像能力。实验结果表明,相较于传统算法,本文提出算法重构图像的目标复原度提升了73%,结构相似性提升了0.2289。该研究有效提升了Gm-APD激光雷达在烟雾环境中的目标感知能力。

基于马赫-曾德干涉的全光纤双参量传感器

提出一种基于S形-错位结构的全光纤马赫-曾德干涉仪(MZI)双参量传感器。该传感结构是采用单模光纤在光纤熔接机中通过简单的放电和熔接等步骤制备而成。顺时针扭转时,传感器的传输光谱向短波长方向偏移;逆时针扭转,向长波长方向偏移。对传感器的实验研究结果表明,该传感器在光纤横截面上顺时针和逆时针两个旋转方向上的扭曲传感灵敏度分别为−223 pm/(rad·cm^(−1)),140 pm/(rad·cm^(−1)),且可实现扭转方向的判别,在一定应变范围内的应变灵敏度为0.145×10^(6) dB/ε(这里ε为应变),且温度交叉灵敏度极小,可忽略不计。因此,这种基于单模光纤的纤芯-包层MZI双参量传感器具有传感灵敏度高,体积小巧,工艺简单,成本低廉且可判别扭转方向的优点,有望成为众多双参量测量操作中良好的候选仪器之一。

相位敏感OTDR和布里渊OTDR结合的双参量分布式光纤传感的研究

在分布式光纤传感及应用中,单一传感系统一般只能实现一种参量的监测,如相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)只能监测光纤沿线的振动信息,布里渊光时域反射计(BOTDR)仅能监测应变/温度信息。对于多参量监测的应用场合,必须通过配合多种技术和系统来实现多参量监测和分析,增加监测成本和复杂性。设计并搭建了一种集成Φ-OTDR和BOTDR的双参量分布式光纤传感系统。该系统通过同时测量光纤中的瑞利散射和布里渊散射信号,在一根传感光纤中实现了温度/应变和振动的双参量检测。经过试验测试和验证,其测量距离达50 km以上,空间分辨率可达20 m,温度测量精度为±3℃,频率测量精度±0.15 Hz以上。

非均匀地表通量的一种双参量统计-动力参数化方案

本文提出了一种非均匀地表通量的双参量统计-动力参数化方案,并根据该方案,以遥感资料反演的地表温度和土壤湿度为参量,对长江三角洲地区的日区域平均蒸发散通量进行了数值试验。

增敏型级联双参量测量的光纤传感器

旨在有效解决液体折射率检测中温度和折射率交叉敏感的问题,研制了一种增敏型光纤光栅(FBG)级联马赫-曾德尔(M-Z)结构的温度、折射率双参量测量的光纤传感器。通过多次熔接实验,调节相应参数将单模光纤(SMF)和薄芯光纤(TCF)进行拉锥熔接;然后在TCF的另一端熔接无心光纤(NCF),制备出M-Z光纤干涉仪;再在NCF末端级联上铝制毛细管增敏封装后的光纤光栅(FBG),最终完成双参量测量的光纤传感器的制备。根据M-Z干涉原理及FBG模式理论,计算了增敏FBG理论的温度灵敏度,给出了传感器的灵敏度系数矩阵与温度、折射率与透射谱的波长漂移量的理论公式。搭建了温度、折射率传感测试系统,实验结果表明:在15~85℃温度范围内,随着温度增加,该传感器的透射谱逐渐红移,封装后的FBG和M-Z结构的温度与波长偏移量线性相关系数分别为0.96323和0.91577,温度灵敏度分别为33.71 pm/℃和11.58 pm/℃;在室温下(25℃),液体折射率在1.333RIU~1.34235RIU范围内,随着折射率增加,FBG透射谱不发生偏移,M-Z透射谱逐渐蓝移,折射率与波长偏移量线性相关系数分别为0和0.98761,折射率灵敏度分别为0 nm/RIU和-493.51322 nm/RIU。该传感器可以有效提高温度、折射率的检测精度和灵敏度,可应用于环境、生物、石油化工和食品生产等领域。

双芯光纤光栅双参量传感特性研究

针对双芯光纤传感器在应用中存在的环境温度交叉敏感的问题,文章提出并设计了一种长周期双芯光纤光栅温度-弯曲双参量传感器,对其传感特性进行了数值分析与研究。结果显示,在20~60cm曲率半径范围和0~100℃温度范围内,波长向长波方向漂移,实现的最大弯曲灵敏度为0.205nm/cm,最大温度灵敏度为1.208nm/℃。当波长分辨率为0.1nm时,长周期双芯光纤光栅可以分别实现0.2cm的弯曲传感分辨率和0.079℃的温度传感分辨率。所设计的双参量传感器结构简单、灵敏度高,可用于轨道和桥梁等建筑的形状监测,同时可有效排除环境温度干扰。