埋入35kV干式空心电抗器的光纤布拉格光栅测温研究

针对干式空心电抗器高电压和强磁场的极端环境,采用埋入式光纤布拉格光栅测温技术,实现了对35 kV干式空心电抗器工作状态下的温度监测。研制出一种结构简单、体积小且抗电磁干扰的光纤布拉格光栅温度传感器,将传感器埋在导线外包封层表面相邻两根通风条之间,距离电抗器上沿约40 cm。温升实验结果表明,达到稳定状态后,最内导线层与最外导线层温度较低,分别约为82℃和72℃;中间各层温度相接近,分布在90~100℃之间,其中第6导线层温度最高约为100℃。埋入式光纤布拉格光栅温度传感器稳定可靠、准确度高、抗电磁干扰,能够实现极端环境下对35 kV干式空心电抗器温度的在线监测,对维护电网的安全稳定具有重大意义。

埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

埋入式光纤光栅应变传感器作为大型土木结构健康监测的智能元件具有很好的发展前蒂。讨论了埋入式光纤光栅应变传感器的传感机理，设计了埋入式光纤光栅应变测量系统。从力学角度阐述了光栅传感探头的结构和制作工艺。采用可调谐F-P滤波器对光栅信号进行解调，解决了应变与温度交叉敏感问题。系统对应变的测量范围为0-1500με。通过理论分析证实了系统方案的可行性。

埋入式光纤Bragg光栅径向应力传感性能参数分析

埋入式光纤Bragg光栅(FBG)可以监测结构内部的应力、温度等其它参数。针对镀镍保护的FBG经钎焊方法横向埋入矩形截面的金属梁内部的情况,本文将影响FBG中心波长变化的因素归纳成两大因素——应力传递系数和位置函数,并深入分析了这两个因素对埋入式FBG的径向应力传感性能的影响。经研究得出,对于某一特定的连接层,尽量选取弹性模量大的保护层,适当减小保护层厚度有助于提高埋入式FBG应力传感的灵敏度。对于一定结构形式的梁,在应力传递系数一定的情况下,位置函数越大,埋入式FBG应力传感的灵敏度越大。埋入过程会造成位置误差。分析得出,当FBG实际埋入位置较指定位置偏右时,位置函数随着倾斜角度的增大而变大;当实际埋入位置较指定位置偏左时,位置函数随着倾斜角度的增大而变小。

埋入式BRAGG光纤光栅应变传感器的应用原理分析

对BRAGG光纤光栅作为应变传感器的基本原理作了分析，重点讨论了该传感器作为埋入式应变传感器时，被埋入主体的横向应变和温度变化对测量结果的影响。分析表明埋入主体的横向应变对光纤光栅传感器测量结果有影响；尽管温度的变化会影响测量结果，但当温度变化不是很大时，这种影响是可以忽略的。

胶粘剂对表贴式聚酰亚胺光纤布拉格光栅应变传递的影响分析

光纤布拉格光栅传感器用于测量结构的应变时,需与被测基体相粘黏,使其与基体协调变形,故胶粘剂的选取对其测量结果有直接的影响。针对此问题,本文对表面粘贴式应变传递模型进行了改进,建立了更为合理的模型,并通过理论分析出了影响应变传递率的主要因素,得到了其传递率随胶体剪切模量的增大而增大的结论。通过控制变量法,用480胶、AB胶、401胶、环氧树脂、3311胶这五种不同胶粘剂,将聚酰亚胺光纤光栅粘贴于等强度梁表面进行对比实验,得到了相应的应变传递率,其结果与理论模型计算值相比误差在5%左右,为表面粘贴式光纤光栅测量应变的工程应用提供了重要的参考。

光纤布拉格光栅滑觉感知单元

以悬臂梁为核心结构设计了一种简单实用的滑觉感知单元.利用3支光纤布拉格光栅的中心波长差值的方差,以及波长偏移的大小和方向进行滑动判知,以实现滑动过程接触力变化、滑动速率与方向的检测.实验结果表明,在0.2~1N的接触力范围内,该滑觉感知单元对微小的滑动有良好的检测效果,最小灵敏度可达3.8pm/mm;滑动灵敏度、速率比例系数以及接触力的实验值与理论值的平均相对误差分别为6%、14%和6.6%.

新型埋入式长距离应变光纤传感器研制及性能研究

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术可检测长距离光纤沿线的分布式应变和温度,非常适用于结构健康监测。但如何保证传感光纤在铺设及后期监测过程中的安全性是其应用于土木工程领域的关键问题。介绍了一种新型埋入式长距离光纤传感器的研制方法,首先在结构施工过程中根据监测网设计预埋微管,再通过气吹技术将传感光纤铺设至微管内部,最后利用真空辅助灌浆技术将水泥净浆灌入微管以固定传感光纤。通过理论分析和实验研究分别对影响该光纤传感器性能的填充层厚度、微管物理特性等因素进行了分析研究。分析结果表明埋入式长距离光纤传感器应变测量精度随外径减小、微管弹性模量增大而提高。标定试验结果表明各传感器工作性能和理论分析结果一致,均能准确感应结构内部应变信息。

光纤布喇格光栅埋入后温度灵敏度分析

为探索光纤布喇格光栅(FBG)埋入金属后的温度灵敏度,在FBG埋入金属的工艺条件还不成熟的情况下,先对FBG埋入水泥砂浆后的温度灵敏度进行了理论和实验研究。推导了FBG埋入后的温度灵敏度公式,并用实验验证了该温度灵敏度公式,得到FBG埋入水泥砂浆后的温度灵敏度理论值为23.8143 pm/℃,实验结果为24.178 pm/℃。对埋入水泥砂浆的FBG受温度变化时的应变进行了理论分析并用ANSYS软件进行了仿真,证明理论、实验和仿真结果一致。

采用亚微米埋入式光栅的彩色滤光片

为进一步提高彩色滤光片的色度性能和光能利用率,设计了一种宽带宽高透射率的亚微米埋入式光栅结构,该结构由PMMA基底、ZnS膜层、二维Al金属光栅和SiO2覆盖层等组成。采用严格耦合波理论分析了ZnS膜层厚度、周期、占空比等结构参数对透射光谱特性的影响,并在此基础上优化结构参数,获得了宽带宽滤波输出。当透射光谱中心波长为635,530和455nm时,相应透射效率分别为68%,78%和71%,半极大值处全宽(FWHM)约为100nm。计算结果表明,与其他应用于彩色滤光片的光栅结构相比,所设计光栅结构的中心光谱透射效率可提高19%,并有效减少了三色输出光谱之间的重叠区域,提高了彩色滤光片的色度性能。

光纤布拉格光栅非线性传输特性的数值仿真

为简化数值求解光纤布拉格光栅的非线性耦合模方程组,避免冲击响应带来数值仿真结果失真,设计了基于半隐式龙格-库塔法及简单迭代的单步系统。与其他方法和实验结果进行对比,验证了该方法的可行性。在相同精度要求下,该方法能够极大地减小计算工作量,实现简单且能够避免数值计算发散。利用该方法建立了光纤布拉格光栅静态和动态情况下统一的数值仿真模型,并设计了仿真中所采用的平滑技术。数值研究了连续波和脉冲输入情况下光纤布拉格光栅的非线性传输特性,静态结果显示相移光栅的开关阈值功率比均匀光栅的低。在动态情况下,对比不同峰值功率脉冲的输出时域特征显示,通过光纤光栅可实现非线性全光调谐延迟。

基于光纤布拉格光栅的岩石内部变形测量传感器

岩石或混凝土结构内部形变是评价工程结构稳定的重要指标.为准确获得岩石结构内部变形情况,提出了基于布拉格光纤光栅传感器的岩石内部变形测量方法,利用理论计算和数值模拟的方法讨论了3种构型对应变传递的影响,得出薄壁不锈钢管保护层的测量效果要优于碳纤维增强聚合物(CFRP)的结论.根据优选后的构型及材质制作传感器并埋置于混凝土及花岗岩圆柱试样中,分别进行室内单轴压缩实验,并同时采用光纤光栅传感器和位移传感器进行测量.实验结果显示:混凝土试样,光纤光栅传感器测量结果与压机位移传感器测量结果有高度契合性,而花岗岩试样二者有所差异,该差异主要是由于采用混凝土浆液充填岩石钻孔,两种材料的接触在轴向荷载下发生破坏而产生,但总体而言,光纤传感器测试精度小于1μm,测试区间可以达到2000μm;其精度和测量范围能够满足工程需要,从而验证了光纤光栅传感器的有效性和准确性.该方法可为测量混凝土、岩石内部应变提供可靠工具和技术手段.

基于白光干涉原理的光纤传感技术——Ⅲ.埋入式光纤传感器的设计、集成与安装

讨论了光纤传感器在复合材料或混凝土结构中的集成与安装问题。设计了用于混凝土结构的预埋式金属基、环氧基和混凝土基白光干涉光纤传感器。这种预埋式白光干涉光纤传感器可满足结构传感领域的要求,并且在此基础上可以发展用于实际工程建筑中的长光纤结构传感系统。

基于白光干涉原理的光纤传感技术—Ⅳ.埋入式光纤传感器基础实验

发展了可埋入混凝土基复合材料内部的白光光纤引伸计,用于测量混凝土内部的应变或裂纹尖端张开位移,并对这些混凝土试件进行了实验研究。实验结果表明,光纤传感器不仅可以测量1D应变,也可以在2D方向上测量应变。对埋入土体内部的三包层光纤土力学传感器进行了标定实验,实验结果表明,传感器能够较好的反映土体形变,设计并制作了土体坝段和高边坡的模型,将经过标定的光纤土力学传感器埋设于模型内部,利用光纤白光干涉测量技术,对外部载荷作用下不同结构的土体模型进行了实验研究,对其变形量进行了测量。

SQLite在光纤光栅嵌入式系统中的应用研究

针对变电站高压开关柜测温设备便携性的需求,结合光纤布拉格光栅传感技术,通过实例介绍了SQLite从开源数据库代码到可调用动态链接库对象的封装步骤,并实现光纤光栅嵌入式系统。测试结果显示,SQLite在嵌入式系统数据查询速率、空间占用方面的性能良好。

混凝土结构埋入式光纤应变传感器的耐用性解决方案

埋入式光纤应变传感器在混凝土结构的健康监测中应用日益广泛,但其有效寿命远低于结构的使用寿命,不能实现对结构的全周期监测。基于可更换的思路,提出了一种新型的传感器设计方案,通过对老化的主要应变传感部件(光纤光栅、基底和传输光纤)进行更新来使应变监测得以长期连续进行,从而简便可靠地解决了埋入式光纤应变传感器的耐用性问题。

基于光纤布拉格光栅的流量温度复合传感研究

针对传统流量计测量参数单一和流量温度复合测量困难的问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅的流量温度复合传感器。采用空心圆柱悬臂梁,减小了流体的压力损失,对端盖、悬臂梁和靶盘采用一体加工,增加了传感器的稳定性。首先,结合光纤布拉格光栅传感理论和流量温度复合传感理论,研究了基于光纤布拉格光栅的流量温度复合传感机理;然后,设计了悬臂梁为空心圆柱的一体靶式结构的传感器,并进行了仿真分析研究;最后,搭建了流量温度实验系统平台,进行了温度和流量传感实验。研究结果表明,温度与波长漂移量呈线性变化关系,线性度均在99%以上,传感器对温度的分辨率为0.04℃,温度测量误差为1.8%,流量分辨率为0.33 m^(3)/h,流量测量误差为2%。该光纤布拉格光栅复合传感器可实现对流量和温度的复合测量,有望于应用在需要大规模组网检测的流量测量系统中,具有较好的应用前景。

热和机械载荷共同作用下涂层特性对埋入式光纤传感器性能的影响

研究在热载及拉伸共同作用下，光纤传感器涂层的材料特性和厚度变化对光纤－涂层－基体整体性能的影响．分析表明在埋入式光纤附近的应力集中与涂层的特性有关．在热应力和机械应力共同作用下，对于给定的基体材料和裸光纤，存在可减少基体、涂层与裸光纤之间或裸光纤中应力集中的涂层性能和尺寸的最优组合．

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.

光纤传感器埋入沥青路面基体的应变传递误差

介绍了光纤传感涉及的应变传递理论,基于该理论建立了基体和感知光纤应变的定量关系,以消除应变传递误差,提高测试精度。针对埋入式光纤传感器用于高黏度的柔性沥青路面基体的最普遍形态,建立了含感知光纤、封装层和基体的典型三层力学模型。采用Goodman假设描述层间剪应力关系,引入傅里叶级数法求解微分方程,建立了基体和感知光纤的平均应变传递关系。通过室内试验论证了推导的应变传递理论公式的有效性,并对影响平均应变传递效率的几何参数和材料参数进行了灵敏度分析。分析结果表明:光纤粘贴长度越长,光纤和封装层的层间黏结越紧密,平均应变传递系数越大,应变传递效果越好。本文的研究可广泛用于埋入式光纤传感器的应变传递误差修正及封装设计。

埋入式FBG振动传感器在变压器铁芯-绕组振动检测中的应用

直接采集变压器振动信号可以对变压器的运行状态进行预测与诊断。通过对变压器铁芯-绕组模型的有限元分析计算,得到铁心-绕组前三阶固有频率为70.807,142.59,163.73 Hz,通过对于振型的分析得到应将传感器布设于铁心顶部,通过对于谐响应信号的分析得到变压器铁芯-绕组模型有2个振动的敏感方向。在变压器内铁芯上端埋入了2支光纤Bragg光栅振动传感器,测得变压器负载运行下的振动信号。再通过JADE算法将2组负载信号进行盲源分离,分别得到了铁心和绕组的振动信号。