基于相位掩模板的常规光纤制备弱反射光栅

为了探索采用常规单模光纤制备弱反射光纤光栅的可行性,以降低材料成本和传输损耗,基于相位掩模板法,在常规单模光纤上刻制弱反射光纤布喇格光栅(WFBG),并进行了实验验证。建立相位掩模板刻栅系统光场统一方程,分析光场分布对光纤布喇格光栅(FBG)中心波长和反射率的影响;采用传输矩阵法分析相位掩模板长度、平均折射率变化对FBG反射率和3dB带宽的影响,为WFBG刻制提供理论依据。采用248nm紫外准分子激光器在常规单模光纤上刻制WFBG,分析相位掩模板长度、曝光能量、曝光频率,曝光次数对WFBG中心波长、反射率和3dB带宽的影响,制备出反射率和3dB带宽分别约为0.0016,0.10nm和0.00006,0.34nm两种窄宽的WFBG。结果表明,基于相位掩模板法由紫外准分子激光对常规单模光纤多脉冲曝光,能够稳定刻制WFBG。该研究对WFBG制备的材料选型提供了参考。

FBG技术监测分析机场跑道沥青加铺层反射裂缝扩展过程

反射裂缝是导致机场跑道加铺层失效的主要病害之一。为分析机场水泥跑道沥青加铺层反射裂缝扩展过程,本文基于光纤布拉格光栅(FBG,fiber Bragg grating)传感技术,提出了可用于实时监测机场水泥跑道沥青加铺层反射裂缝扩展过程的柔性FBG传感器封装方法,并对研发的FBG传感器进行了标定。基于室内组合梁试验,分析了机场水泥跑道沥青加铺层复合结构反射裂缝扩展过程,包括微裂纹萌生与积累、反射裂缝扩展、反射裂缝贯通3个阶段。在反射裂缝扩展初期,FBG传感器中心波长增长速率相对较小;随着反射裂缝逐渐扩展,FBG传感器中心波长迅速增大。结果表明,柔性FBG传感器全部存活且性能完整,验证了其在实时监测机场水泥跑道沥青加铺层反射裂缝扩展过程中的可行性。

弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵

提出一种细尺寸、大孔径、高增益的弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵。根据匹配干涉方法选用反射率一致、中心波长相同以及3 dB带宽较宽的弱反射光纤光栅阵列;根据水声传感原理确定弱反射光纤光栅阵列的栅距以应用于5~10 Hz甚低频水声信号探测。采用光纤涂覆机对弱反射光纤光栅阵列二次涂覆,阵列中心波长整体一致漂移,栅距基本不变。采用扎纱机和护套机在二次涂覆弱反射光纤光栅阵列外铺设凯夫拉纤维和聚氨酯保护套形成水听器拖曳线列阵。测试拖曳线列阵水听器单元的声压-相位灵敏度在1 rad/μPa条件下分别为−136.97 dB@5 Hz、−139.64 dB@7.5 Hz、−139.36 dB@10 Hz;分析流噪声引起的水听器自噪声功率谱,拖速为8 m/s、频段为1~100 Hz的谱值在45~95 dB(1μPa2/Hz)范围内。实验和分析结果表明,所提出的弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵甚低频段灵敏度高、流噪声低,有望增强无人航行器的甚低频水声信号探测功能。

弱反射光纤光栅水听器水声探测机理研究

基于弱反射光纤光栅的发展应用,提出了一种新型光纤光栅水听器系统,对其水声探测机理进行了研究,并建立了水声传感模型,推导了在不同应力模型下的水听器声压灵敏度公式,并进行了仿真分析,为在实际应用中提高水听器声压灵敏度提供了理论支撑。

光纤光栅反射波长移动研究

提出并实验了一种探测光纤光栅波长移动的新方法。该方法用一组与各个传感光纤光栅的参数对应相同的光纤光栅作为滤波元件 ,用抖动倍频的方法跟踪传感光纤光栅的反射光谱的峰值点 ,同时采用高分辨率的光栅尺作为系统的读出设备 ,彻底消除了压电陶瓷的非线性性及滞后性带来的误差 。

光纤光栅的长度对其峰值反射率的影响

利用耦合模理论 ,数值分析了当光纤光栅 (FBG)折射率变化为均匀分布、直流切趾高斯分布时 ,光纤光栅长度对其峰值反射率的影响。

基于光频域反射仪的应变实时监测系统(特邀)

在分布式光纤传感技术中,光频域反射仪(optical frequency-domain reflectometry,OFDR)凭借高空间分辨率及高灵敏度等特点,在测量应力和温度等物理量测量方面有很大优势。结合弱反射光纤光栅阵列搭建了一套OFDR分布式传感系统,并使用可视化编程平台实现了数据的采集和处理,最终能够实时显示弱反射光纤光栅阵列中任一点的应变或温度测量结果。实验结果显示,所搭建的分布式传感系统具备0.08 mm空间分辨率,6.9με的应变测量精度,1 Hz应变测量刷新率的测量能力,具备分布式动态应变实时监测的能力。在石油化工和航空航天等需要高空间分辨率和实时动态应变感知能力的领域,所研制的分布式光纤应变传感系统将拥有广阔的应用前景。

基于超低反射率光纤光栅的储能电池温度监测系统

降低电池故障对于储能系统的安全运行至关重要,温度是电池运行健康状态的重要指标,储能系统必须对电池实现全数监测,目前的测温技术不论是电测量还是分布式光纤温度测量,都难以满足对每一个电池的实时、低成本监测。文中基于超低反射率光纤光栅技术,提出了对电池进行温度监测的新方法,并将风电储能系统中的磷酸铁锂电池组作为测试对象。实验结果表明,系统具有实时性好、精度高、方便布设等优点,能实现一根光纤监测每一个单体电池的目标,对提高储能系统电池组的安全高效运行具有较好的实用价值。

基于弱反射光纤光栅的OPGW杆塔倾斜监测阵列

恶劣环境下的OPGW输电杆塔倾斜监测有着重要的工程意义。基于超弱反射率的光纤光栅,结合波分/空分复用提出一种酒杯型杆塔倾斜传感阵列监测技术。首先,从理论入手推导了光栅波长、应变和杆塔倾角的数学联系;然后,基于COMSOL有限元仿真分析了风振作用及舞动不均匀张力情况下杆塔的应力变化;最后,利用对比实验标定了倾角传感器基本参数,将其应用在内蒙古东部某220 kV线路酒杯型上输电杆塔上进行倾斜监测,得到初步倾斜监测结果。实际监测结果表明,所提出方法能够有效监测杆塔倾斜,弱反射光栅的应变灵敏度系数约为1.2 pm/με,倾角传感器的灵敏度系数值为0.051 8 nm/°,并成功得到一般情况下杆塔倾角约为2.64°的监测结果。该方法为OPGW输电线路的多参数健康监测提供了技术参考,具有较强的工程应用前景。

融合弱反射光栅阵列的POTDR传感机理的理论研究

通过研究弱反射光栅阵列在偏振敏感光时域反射传感系统(POTDR)中的作用机理,将弱反射光栅应用于POTDR系统,POTDR可借助弱反射光栅的反射能量,提高到达系统探测端的能量,进而提高系统的信噪比.重点研究融合弱反射光栅的POTDR传感系统中光栅反射率、探测光脉冲宽度等参数共同作用对系统的影响,后使用仿真计算的方法将基于弱反射光栅的POTDR系统与传统的POTDR系统的传感性能做模拟研究分析.结果表明融合弱反射光栅的POTDR系统与传统POTDR系统相比可将信噪比提高6 d B,在光栅反射率为10-5的情况下,理论上可将传感距离延长30 km.

耐高温光纤Bragg光栅的响应特性研究

以耐高温光纤光栅和普通的光纤光栅为实验研究对象,研究了其高温特性。普通的FBG,当温度超过300℃以上,光纤光栅已变黑变脆,虽然有传感特性,但已不能在实际中应用;通过对耐高温光栅裸栅进行300℃以上的高温实验,发现耐高温FBG处于20℃-350℃之间时反射波长与温度之间有着良好的线性关系,且光栅性能良好,没有出现被碳化现象,灵敏度为0.01 nm/M Pa;随着温度进一步升高,FBG反射波长与温度开始呈现非线性关系。实验结果表明,耐高温光栅适合于高温油气井下应用。

植入复合绝缘子芯棒内的光纤布拉格光栅热应变和应力应变分析

光纤布拉格光栅以其良好的绝缘性能、微小的体积以及抗电磁干扰的优势,成为复合绝缘子运行状况监测的重要手段。为了弄清光纤复合绝缘子内布拉格光栅应变情况,利用有限元法分析了植入复合绝缘子芯棒内的光纤布拉格光栅热应变和应力应变,得出了在复合绝缘子自身结构应力及温度变化导致的热应力综合作用下,光栅的中心波长以及反射光谱与芯棒结构及材料参数之间的关系,得出了光栅应变灵敏度系数与基体材料的结构参数之间的关系;并根据热应变情况计算出在金具压接区部位的光栅温度灵敏度系数,利用绝缘子典型部位温度变化模拟分析了光纤光栅的反射谱变化。这些研究为光纤复合绝缘子的应用推广提供了理论支持。

光纤光栅传感技术的优势与应用

从光纤传感技术的优势出发,介绍了一种新型功能强大的光纤传感技术-光纤光栅传感器。着重论述了分布式光纤光栅的关键技术和光纤光栅传感器产品的应用情况,分析了光纤传感技术的未来发展趋势。

基于光纤光栅F-P腔的一种新颖传感系统的理论研究

在对光纤光栅 F- P腔的反射光谱特性进行理论分析的基础上 ,提出了一种基于弱反射率、长腔长光纤光栅 F- P腔的新颖的传感系统 ,分析了两种适用于该系统的有效解调方法。讨论了系统参数对传感器性能的影响和系统的优化设计原则。理论研究表明 ,这种新颖的传感系统可实现温度的精确测量 ,具有很高的可靠性。

基于弱光栅技术的钢管桩静载荷试验

弱反射布拉格光栅感测技术是密集准分布式应变感测技术的一种,并将其应用在海上钢管桩的竖向静载荷试验中。从弱光栅感测技术原理展开,说明弱光栅独特的测试与监测优势。在工程实例中进行竖向静载荷试验,对比利用弱光栅光纤感测技术与分布式光纤感测技术所获竖向静载试验应变数据,试验结果表明在不同荷载下二者所获得的应变相对误差大部分低于50με,在同一荷载下二者所获得的平均误差值不大于30με。通过误差分析来体现弱光栅在静载荷试验中的准确性。由此进一步通过弱光栅计算桩身轴力和侧摩阻力测试结果来反映桩身内力的分布变化规律以及桩身承载特性,即在最大荷载的作用下桩端阻力所承受的荷载不足总荷载的十分之一且侧摩阻力的峰值约在埋深为96.5~108.5m之间。以此说明弱光栅在海上钢管桩实际项目中监测应用的可行性。

光纤光栅压力传感器及其温度效应研究

根据Bragg光栅方程,讨论了光纤Bragg光栅(FBG)压力传感机理及温度对光纤光栅反射波长的影响;通过裸光栅的罐状聚合物封装,在0～20MPa的范围内,使光纤光栅的压力灵敏度提高为-42.0am/Pa,是裸栅的17.3倍,可作为恒温时较高压力环境下使用的传感器;经实验结果分析,100℃以下的温度范围内,封装后的FBG受温度影响效应变为裸栅的4倍,反射波长与温度亦具有良好的线性关系。指出非恒温环境下的压力测量应考虑对传感器反射波长随压力变化曲线进行线性修正,以实现对压力的准确测量。

正弦形构造的光纤光栅自致啁啾效应

结合均匀光栅在受到非均匀应变时会产生啁啾效应的原理,提出了一种利用正弦结构将均匀光栅调制成啁啾光栅的方法。设计了正弦结构的基底材料,将光纤光栅粘贴在基底材料的应变非均匀区,通过施加拉伸载荷将其产生的应变引入FBG栅区,使得FBG产生了啁啾效应,FBG被调制成具有多个反射峰和宽带宽的啁啾光栅;使用有限元软件对正弦结构拉伸载荷下的应变进行了仿真,得到了正弦结构不同位置的应变云图;实验结果在位移载荷最大为8mm时,得到了带宽增加5倍,反射谱具有多个反射峰的啁啾光栅;结合传输矩阵法对啁啾光栅的反射谱进行光谱仿真重构,仿真光谱与实验光谱趋势基本吻合。

基于弱光栅技术的地面沉降自动化监测系统

光纤监测技术具有分布式、精度高等特点,在地面沉降监测中具有独特优势。但受限于监测成本较高与监测环境复杂,目前地面沉降光纤监测多通过人工采集数据,限制了在特殊环境变化情况下地面沉降的实时信息获取。文章在地面沉降钻孔全断面光纤监测技术的基础上,设计并建立了基于弱光栅技术的地面沉降自动化监测系统。该监测系统利用弱反射光栅、时分复用、物联网和数据库等技术,通过4G无线通信手段实现了地面沉降在线自动化监测和远程数据实时采集,并通过客户端系统软件实现数据的存储、查询和分析。将其应用到衡水地区地面沉降监测中,结果表明:钻孔内土层压缩变形主要发生在以黏性土为主的隔水层(Ad2、Ad3、Ad4);受季节性地下水开采的影响,钻孔100~400 m深度范围内砂土含水层存在波动变化,在监测期内,冬季略回弹,随后春季地下水开采量增大,地下水位下降,土层呈现压缩趋势。监测结果验证了该系统的可行性与准确性,使得整个地面沉降监测流程趋于自动化、规范化和低成本化,具有广泛的应用前景。

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.

基于弱反射FBG串的随机分布反馈掺铒光纤激光器

提出一种基于弱反射光纤光栅(FBG)串的随机分布反馈掺铒光纤(EDF)激光器。激光器利用1 480nm半导体激光泵浦一段2 m长的高浓度EDF进行增益放大,由弱反射FBG串提供随机分布反馈,具有阈值低、线宽窄、效率高和输出稳定等优点。实验中,在激光器谐振腔的一端用一个反射率为90%的窄带FBG进行波长选择性反射,在另一端连接由20个波长相同、反射率在5‰左右的弱反射FBG组成的FBG串(总反射率为9%)提供随机分布反馈,在最大输出功率为400mW的1 480nm泵浦激光作用下获得了峰值波长为1 549.48nm、阈值功率为3 mW、斜率效率达24%的窄线宽稳定激光输出。在相同泵浦激光功率下,间隔一定时间,多次测量激光输出光谱,证实该随机分布反馈FBG激光器具有良好的波长和功率稳定性。