区段煤柱变形光纤光栅监测应用研究

针对近距离煤层下伏工作面过上覆遗留煤柱时,发生动静载叠加诱发强矿压显现,导致区段煤柱发生变形失稳造成人员伤亡和设备破坏。为探索基于光纤光栅实时监测区段煤柱变形发育特征,分析进、出遗留煤柱阶段矿压显现机理,将FBG、光栅应力计的光测方法相结合,结合现场实测的区段煤柱变形应力应变水平参量变化规律,研究煤柱应变空间分布规律及回采过程中工作面前方煤柱内部应变时域响应特征,验证光测方法在煤体应变水平观测的可行性。结果表明:工作面回采经过上覆遗留煤柱期间,区段煤柱顶板受集中应力影响,上部岩层块体破断并发生回转导致煤柱载荷增加,随着工作面推进覆岩断裂进一步向上传递,关键层断裂回转发生导致工作面来压,最终导致区段煤柱变形失稳。根据现场光栅应变增量幅度判断煤柱内局部变形的剧烈程度,在集中应力作用下,区段煤柱变形时发生最大应变为650×10^(-6),上覆岩层集中应力造成煤柱应变水平峰值位置为煤柱宽度11.5 m,沿煤柱宽度方向应变表现出先增加后减小然后趋于稳定的趋势,内部应变随采动过程中影响范围在5 m左右。综合研究工作面回采经过上覆遗留煤柱时应变对区段煤柱发生变形失稳的特点和规律,以及应变水平变化和煤柱物理力学性质,得到煤柱破坏的前兆特征,在外力作用下达到变形峰值前对煤柱提前进行卸压和防护的安全处理。

基于矢量衍射理论的光栅干涉仪位移测量误差研究

光栅干涉仪位移测量系统作为测量领域中最精密的测量仪器之一,由于在测量过程中光栅的姿态位置无法保证完美装配,使得光栅的光栅矢量方向与运动矢量方向之间出现偏差,导致位移测量结果出现周期性非线性误差。文中针对在光栅干涉仪位移测量过程中出现的光栅与位移台以及读数头之间的姿态位置误差进行分析,通过分别建立位移坐标系及光栅坐标系,参考惯性导航领域中飞行器姿态表示方法,利用一维光栅的横滚、俯仰和偏航角共同描述一维光栅相对于位移台的装配状态。通过基于矢量衍射理论分析光栅干涉仪位移测量时三个维度的角度偏差量,对可能产生的位移测量误差进行了分析说明。基于广义一维光栅方程,探究出了一个更为普遍的结论,为后续装置的改进提供理论依据,以提高系统的测量精度。

考虑光强分布的光通信光栅列阵光束整形方法

光栅单元阵列由大量的单元组成,每个单元的大小和形状都需要精确控制,以确保光束的整形效果。然而,在光通信过程中,光强分布的变化会导致光栅列阵中每个单元的响应度不一致,从而引起每个单元接收到的光信号出现差异,进而影响光束的整形效果。因此,提出一种考虑光强分布的光通信光栅列阵光束整形方法。以光通信光栅列阵中的最常用的列阵波导光栅为例,通过阵列波导结构中的阵列波导的芯区宽度、芯区折射率、包层折射率、波导周期宽度等参数,结合波导中的传播常数受到光束波长和折射率影响,得到阵列波导的归一化本征方程,将其结果结合匀化洛伦兹函数得到入射光和出射光的光强分布,通过计算得到光通信光栅列阵光束入射光及出射光的映射函数,利用函数调整光学参数,实现光通信光栅列阵光束整形。实验结果表明:该方法对光通信光栅列阵光束的整形效果好,整形光束的能量利用率高,光束不均匀性小。

光纤光栅温度应力传感教学实验装置

针对目前市场上可直接用于光纤光栅传感实验教学的装置较少,前沿科研技术和本科实验教学相脱节现状,设计了基于光纤光栅的温度应力传感教学装置。该装置包括光纤激光器、光谱仪和上位机控制软件3部分。光纤激光器实现了1 550 nm左右的激光输出,利用光谱仪测量光纤光栅中心波长的改变,并采集数据输入计算机,上位机控制软件用于图形显示和数据存储等。该实验装置操作简单、组装灵活、重复性和稳定性好,可用于本科实验教学。将前沿科学技术引入本科实验教学,促进了科学研究与本科实验教学相融合,实现了科研教学水平的同步提高。

高精度光栅三维位移敏感结构设计

针对目前的微位移敏感装置在微型化下难以实现高精度三维检测的问题,设计了面内和离面2种位移敏感的光栅结构,并应用于三维微位移的检测中。阐述了光栅理论,设计了双层光栅结构。从2种检测方式对微位移灵敏度的影响角度,通过Gsolver仿真光强衍射效率的大小变化,面内和离面敏感光栅的衍射效率变化分别为0.115%/nm和0.423%/nm,可知,离面敏感光栅的衍射效率灵敏度是面内敏感光栅的4倍。进而将离面位移敏感的光栅布置在被测物的三维方向,实现高精度三维位移测量。

彩色光栅投影的三维轮廓自动化测量研究

为了测量物体的三维轮廓数据,提出一种基于改进彩色光栅投影三维轮廓测量技术,并利用DLP来投影彩色光栅条纹到被测物体上来测量被测物体的高度,由于DLP的投射范围太大,无法直接投射在微小物体上,因此通过自行改装的方式改变DLP的投射范围,将其投影面积限制在约20×20 mm内,使其能覆盖整个被测物体。但由于改装时所选用的DLP镜头并不是针对DLP而设计的,因此容易产生光场分布不均的情况,可对无光栅图像或有彩色光栅图像进行光场补偿,使光栅图像更为清楚,用于对被测物体进行更准确的三维轮廓测量与重建分析计算,且获取被测物体的三维数据精度可达2μm,速度在0.024 s内。实验结果表明,该方法具有更高的速度、灵敏度及适用性。

基于Mathematica的平行光斜入射光栅衍射的模拟和可视化研究

光栅衍射作为大学物理的重要教学内容和教学难点,由于其理论推导和数学表达形式复杂,学生难以形成清晰的物理图像,导致课堂教学效果不理想。教材中仅对光垂直入射光栅时的衍射特性进行了讨论,但平行光斜入射光栅时的衍射特性却未被充分探讨,且这一领域的研究仍然有限。本文首先应用光的衍射理论推导出了平行光斜入射条件下单缝衍射和光栅衍射的光强分布表达形式,将单缝衍射和光栅衍射的研究由垂直入射推广到斜入射的情况。然后,应用Mathematica软件中的强大的交互式界面Manipulate,结合Initialization和Limit命令,对平行光斜入射情况下的单缝衍射和光栅衍射的光强分布进行了系统的模拟和仿真,分别绘制出单缝衍射的相对光强分布、多缝干涉的相对光强分布、光栅衍射的相对光强分布和衍射条纹分布情况。通过可视化过程,使学生深刻地理解光栅衍射的光强分布是单缝衍射和多缝干涉共同作用的结果,单缝衍射提供了光强分布的包络,而多缝干涉则决定了衍射条纹的具体亮暗变化,将抽象的光的衍射现象形象直观地动态演示出来,这有助于学生建立清晰的物理图像,深刻地理解单缝衍射和光栅衍射,极大地提高教学效果。

一种光纤布喇格光栅涡街流量传感器

在流量计量领域中,利用光纤传感技术对涡街流量计量的研究较少,故具有重要的研究意义。该文设计了一种悬臂梁式的光纤布喇格光栅涡街流量传感器,其利用悬臂梁自由端振动使光纤布喇格光栅中心波长发生周期性移位,从而测量涡街频率,得到流体流量信息。温度传感测试实验与流量传感测试实验结果表明,该传感器温度灵敏度为17 pm/℃,涡街流量灵敏度为0.01895 Hz/(L·h^(-1)),非线性误差为2.23%。实验验证了该传感器可应用于液体涡街流量计量。

基于光栅尺测量的明渠流量计校准装置及其在线校准方法研究

明渠流量计是监测水流量的一种计量器具,广泛应用于各行各业。因其不便拆卸、堰槽设计不规范、校准方法缺失等原因,使得明渠流量计在线溯源成为业内亟需解决的难题。该文开发出一款基于光栅尺测量的明渠流量计校准装置,并应用该装置研究出模拟液位法的明渠流量计在线校准方法。该方法克服了标准液位计法及流速面积法等现有溯源方法存在的不足,具有操作简便、测量准确、模拟水位可调、过程智能化等特点,为明渠流量计在线溯源提供技术支撑。

基于构造绝对值三角函数的光栅信号细分

为了进一步提高光栅传感器的测量精度,需要对信号进行细分,但光栅莫尔信号的细分精度取决于信号的质量。本文利用归一化并结合CORDIC的方法补偿了直流、幅值、相位等误差,利用补偿后的信号构造绝对值三角函数,实现一个完整周期信号的16倍细分,并通过MATLAB进行了仿真,验证了该方法的可行性。

基于Labview的分布式光纤光栅信号解调技术研究

分布式光纤光栅信号解调中受到通信信道的码间干扰导致信道均衡性不好,提出基于Labview的分布式光纤光栅信号解调技术。采用连续时间采样技术构建分布式光纤光栅信号采集模型,对信号输出的功率谱密度特征进行相位调制处理,在离散的维纳模型下提取分布式光纤光栅信号的偏移中心频率和单边带功率谱密度特征信息,通过Labview的调制解调技术实现对信号的调制解调处理,最后采用抗相位噪声干扰的星座图分析方法分析光纤光栅信号解调的抗干扰性和误码抑制能力。仿真结果得知,该方法进行分布式光纤光栅信号解调的抗干扰性较好,提高了信道的频谱带宽,降低了频率中心偏移,传输误码率低于0.05%,信号的传输延时维持在30μs左右,具有较强的应用性。

光纤光栅索力传感器的酸碱耐久性

拉索作为斜拉桥的主要受力构件常处于复杂、恶劣的工作环境,传统的索力监测手段存在一定的局限性。将光纤光栅传感器内嵌封装进金属承压块上的凹槽,研制一种光纤光栅索力传感器,并对两种环氧树脂胶黏剂封装的光纤光栅索力传感器在酸碱腐蚀环境下的耐久性能进行研究,然后依托逆幂律模型与老化动力学理论,推导出传感器寿命预测方程。试验结果表明:该传感器的线性度和稳定性良好,传感器在腐蚀溶液中失效的主要原因是封装部位界相区胶黏剂受腐蚀剥落。A类传感器的耐酸碱性强于B类传感器,A类传感器在弱酸弱碱环境中的使用寿命均超过35年,大于斜拉桥拉索平均20年的换索年限,可以实现拉索全生命周期的监测。

基于布里渊动态光栅的高灵敏度保偏光纤多参量同时解调

为了实现基于保偏光纤在布里渊动态光栅的温度、快轴压力和慢轴压力同时解调,并克服传统压力传感灵敏度不足的缺点,提出了一种边孔型高灵敏度光子晶体光纤。利用有限元方法,研究了温度、快轴压力和慢轴压力与双折射频移、布里渊频移和布里渊线宽之间的关系,据此可实现多参量的同时解调。结果表明,该光子晶体光纤可以实现三参量的同时解调,且解调误差在1 MPa和1℃以内。快轴压力、慢轴压力和温度的误差均值分别为0.21 MPa、0.31 MPa和0.30℃,误差的标准差分别为0.15 MPa、0.21 MPa和0.21℃。在施加0~30 MPa的横向压力和0~100℃的温度时,该光子晶体光纤快轴方向上的压力灵敏度为-1.961 GHz/MPa,光纤慢轴方向上的压力灵敏度为1.356 GHz/MPa,其温度灵敏度为0.105MHz/℃。相较于目前最优结构的光子晶体光纤压力灵敏度提升了-957MHz/MPa。该传感器及解调方法适用于土木结构和大型机械在建造和使用过程中监测其内部所受温度和不同方向压力的变化。

基于智能跑道光栅阵列传感器的机型辨识方法

针对当前机型辨识方法易受环境影响的不足,提出了一种新的基于智能跑道光栅阵列传感器的机型辨识方法。利用光栅阵列横向布置光缆采集飞机滑跑通过时的分布式振动响应,通过分析多测区时程脉冲响应特征,确定主辅起落架通过光缆的时差。通过光栅阵列纵向布置光缆感知飞机的滑行轨迹,采用多项式拟合确定飞机滑行速度。基于飞机主辅起落架的测试值与理论值的匹配关系对飞机型号进行辨识,利用某机场试飞及开航2个月内的航班信息进行方法检验。结果显示,提出的机型辨识方法识别准确率可达98.44%,可以对B757、B738、A320和A321机型进行有效辨识。

基于傅里叶级数的光栅波长信号重构及振动位移精准测量

为实现光纤光栅传感器在多频率振动位移中的精确测量,研究了一种基于傅里叶级数的光栅波长转换。该方法将光栅波长偏移量按照振动频率分解,依据波长变化量与加速度的关系式得到振动频率分量产生的振动加速度,通过对振动加速度进行二次积分得到振动位移,对振动位移求和,实现整体振动位移的精确测量。实验结果表明,在检测单频率振动位移时,该方法的最大误差率为3.74%,基于振动主频的光栅波长转化方法的最大误差率为-4.60%。在检测双频率振动位移时,该方法的最大误差率为-8.45%,基于振动主频的光栅波长转化方法的最大误差率为-74.25%。因此,该基于傅里叶级数的光栅波长转化方法能够准确分解并重构光栅波长信号,在测量多频率振动位移时精度更高,稳定性更强。

压杆式光纤光栅位移传感器的研制

基于光纤弹性应变与圆柱螺旋压缩弹簧轴向变形的传递机理,提出了一种压杆式光纤光栅位移传感器。推导出波长漂移与压簧自由端位移的关系式,采取光纤光栅两端夹持的应变传递封装,结合压簧、弹簧管与紧定装置组成弹性转换结构,采用线径0.6 mm,中径6 mm,有效圈数14的压簧元件制备了传感器原型,并对其静态性能和温度响应特性进行了标定试验研究。结果表明:在15 mm的量程内,传感器的位移灵敏度为451.36 pm/mm,线性度为0.69%,重复性为1.54%,迟滞性为1.13%;应变、温补光栅的温度灵敏度分别为10.15,19.18 pm/℃,误差分别为1.39%,1.50%,具有良好的温度补偿效果。

高速精确的光纤光栅信号解调方案设计

为提升光纤光栅的应用效果,为此,设计高速精确的光纤光栅信号解调方案。依据LPFG的光纤光栅信号解调原理,设计两个LPFG双边缘滤波器处理两路反射光,并且利用光电探测器探测光功率结果,以此解调光栅的中心波长;采用光纤干涉仪检测解调频率,对其进行正反扫描,依据光传播时延引起的解调误差和解调频率扫描方向之间的关联,完成解调结果补偿。测试结果显示:该方案具有较好可行性,光谱发生不同程度重叠时,光纤光栅信号的解调结果标准差均小于1.85 pm;光栅波长的解调误差均在-5~5 pm之间;有效降低解调误差,提升光纤光栅解调精度,可靠获取信号中的信息。

基于长标距光纤光栅传感技术的智能碳纤维筋性能研究

光纤光栅(FBG)传感技术以其抗干扰、传感与传输一体化等优点,成为CFRP拉索智能监测重点研究方向之一。然而,传统CFRP拉索智能监测属于点式或局部传感,难以满足服役全时感知及高量程监测需求。因此,提出将长标距FBG传感技术与螺旋倾斜式技术复合,研制一种智能CFRP筋,并通过循环静力拉伸、低周疲劳(高应力状态下)与极限静力拉伸试验,探究各试验条件下智能CFRP筋的力学及传感性能和试验后性能损失情况。试验表明:智能CFRP筋应变传感性能在不同工况(15 kN、42 kN)下3次循环拉伸的线性相关系数均大于0.99,说明智能CFRP筋应变传感性能较好,具有可重复性,同时将FBG监测值与应变片监测值进行对比,表现出较好的吻合性。低周疲劳试验过程中FBG监测值与疲劳荷载变化规律一致,且监测值与理论应变上下限误差少于8%,试验过程中未出现数据异常、应变感知迟滞等现象,FBG存活率达到100%,验证了智能CFRP筋良好的应变传感性能,可实现智能CFRP筋轴向动应变的监测。在极限静力拉伸试验中,FBG最大波长变化量达13 454 pm,监测应变达到了11 000με以上,可实现智能CFRP筋更大量程应变的监测。经过3次循环静力拉伸和低周疲劳试验后智能CFRP筋的FBG监测值线性相关系数相比对照组试件有所提高,智能CFRP筋极限荷载有所降低,FBG应变监测量程受影响较小,前期试验主要对智能CFRP筋筋材造成了累积损伤。试验结果可为CFRP拉索智能监测的理论设计和研究提供重要的依据。

基于光纤光栅毛细钢管电镀封装结构的温度传感特性研究

采用毛细钢管对布拉格光纤光栅(FBG)封装有保护和温度增敏的效果。FBG和毛细钢管之间一般采用环氧胶连接,这会影响传感器的灵敏性和可靠性。为此,提出了一种基于磁控溅射和电镀相结合的毛细钢管封装工艺。首先在裸FBG上磁控溅射镍金属导电层,然后用电镀工艺将光纤和毛细钢管的两端固定连接。电镀连接层表面光滑,没有明显缺陷。相较于胶粘封装,使用电镀封装的FBG温度传感器在25~95℃的温度范围内具有优异的线性度。封装结构的温度传感灵敏度是裸FBG的2.63倍。结果表明,毛细钢管电镀封装结构不仅可以提高温度传感灵敏度,还能在高温下具有稳定的传感性能。

基于方向领导粒子群算法的Bragg光栅测量土壤水分研究

为提高Bragg光栅测量土壤水分效果,提出方向领导粒子群算法。首先建立光纤Bragg光栅反射谱中心波长与温度变化关系。接着通过粒子适应度标准差选择领导粒子,采用不同的策略调整方向领导粒子飞行速度,收缩因子限制粒子离开搜索空间的可能性。然后以最小化最大折射率调制深度为优化目标,最后给出算法流程。实验显示方向领导粒子群算法对粉壤土、细砂土测量比较接近真实值,评价指标较优。