光纤光栅位移传感器研究与不确定度分析

为实现大跨度地下工程结构的长期健康监测,设计了一种光纤光栅位移传感器。该设计将等强度梁特性与光纤光栅传感原理相结合,弹簧作为转换元件,等强度梁和光纤光栅作为传感元件。在此基础上进行了理论分析,推导了灵敏度系数计算式,并进行了标定实验及分析,结果表明:设计的光纤光栅位移传感器可以实现两点位测量;有效监测量程为180 mm,传感器的灵敏度为10.16 pm/mm,分辨率可达98μm,线性度为3.2%,重复性为4.32%,迟滞性为2.52%,静态误差为5.92%,线性相关度可达0.998,静态特性良好;实验平台不确定度为0.827 9 mm,在量程范围内不确定度对结果的影响较小,满足性能要求。该设计适用于精度要求较高且需要多点位测量的工作环境,应用前景良好。

飞秒激光加工微悬臂梁薄膜光纤声波传感器

设计并制作了一种光纤微悬臂梁传感器,由于悬臂梁在受迫振动过程中不会产生拉伸变形,与四周固定的圆形密闭薄膜相比,会产生更高的声波灵敏度。采用飞秒激光加工制作微悬臂梁薄膜光纤声波传感器,制备出长宽均为500μm,厚6μm的微悬臂梁结构。通过实验得到其反射光谱对比度为8.8 dB,自由光谱范围为7.72 nm,理论计算得光纤法布里-珀罗腔长为155.6μm。研究结果表明,该光纤声波传感器在2200 Hz处出现明显的共振峰,对应的声压灵敏度为414 mV/Pa,在300 Hz时有最大的灵敏度675 mV/Pa,与普通硅橡胶薄膜声波传感器相比灵敏度显著提高。理论计算硅橡胶微悬臂梁光纤声波传感器的一阶共振频率为198 Hz,与实验测得的共振频率较为接近。同时悬臂梁传感器的声压灵敏度可达675 mV/Pa,声压响应线性度为0.994。

光纤耦合效率与接收光强计算研究

由于用近似方法计算出的光纤耦合效率和接收光功率与实验测量之间存在差异,有必要探讨更准确的计算方法以满足应用的需要。通过对径向变量的积分,导出了在高斯光强分布下对接收光纤端面进行面积分计算的一元积分式,从而可以快速准确地对光纤的耦合效率和接收光功率进行数值计算。对62.5/125多模光纤的耦合效率和接收光功率进行的数值计算和实验测量说明,光纤的耦合效率只有用准确的数值计算才能给出与实际相符合的计算结果。使用芯径较大的接收光纤测量出射光束的近场光强分布时,光纤接收光强分布较光束的光强分布有较大的展宽,其相对误差甚至可达60%。

基于光纤束传感器结构的激光诱导荧光检测系统的研制

基于Y型光纤束传感器结构以及激光诱导荧光技术,以半导体激光器(中心波长473nm)为激发光源,自行研制了微流控芯片激光诱导荧光检测系统.该系统具有体积小、重量轻、成本低、灵敏度高、抗干扰能力强等特点.从激光诱导荧光光纤传感检测系统的结构出发,分析了荧光信号强度与荧光效率、入射光强度、物质的摩尔吸收系数以及溶液浓度的定量关系.并且以荧光素钠为试剂,作为检测物质对该系统性能进行了评价,在检测池尺寸为35mm×15mm时,最小检出限达到3×10-12mol/L,同时得到检测物质的荧光信号强度与溶液的浓度成线性关系.

光纤多模干涉应变传感器的数值模拟及实验研究

介绍了一种基于多模干涉理论的光纤应变传感器,它由两段单模光纤中间夹一段多模光纤组成。我们利用光束传播法(BPM)对这种结构进行了数值模拟,获得了多模光纤中被激励的所有高阶模式的耦合效率的解析解,通过计算得到其应变灵敏度是FBG型应变传感器的2.14倍。随后,对这种新型传感器进行了应变传感实验,实验结果为1.92倍,计算值与实验值基本一致,证明了此种数值模拟方法适于研究此类光纤多模干涉问题,并体现出这种单模-多模-单模结构的传感器在灵敏度方面的优势。

基于弓形梁增敏结构的FBG振动传感器研究

利用光纤光栅(FBG)随弓形梁弯曲变形的敏感特性,通过设计特制的增敏结构,研制了一种基于弯曲特性的FBG振动传感器。根据ANSYS数值分析和实验结果表明,在加速度0～5 g、工作频率0～40 Hz范围内,传感器加速度特性曲线呈现良好对应关系,灵敏度可达458.1 pm/g,精度约0.002 g。该传感器系统采用双光栅形式实现了温度补偿,且在所测加速度范围内显示出较好的灵敏度和重复性,频响误差小,能够满足航空结构振动监测与控制需求。

光纤出射光强分布研究

对多模光纤出射光束的光强分布用横向位移法进行了理论分析和实验研究,并用数值计算的方法分析实验测量数据.结果表明,高斯光束可以很好地描述光纤出射光强的分布,光纤出射光束光强分布参数主要与光纤芯径和出纤光功率等有关,为强度调制型光纤传感器的优化研制提供了必要的实验依据.

环境监测用多参数光纤化学传感技术研究

采用发光二极管、光导纤维和硅光电二级管检测器研制成可供环境水ｐＨ值和大气中ＳＯ２、ＮＨ３检测的光纤多参数传感系统．仪器对ｐＨ值的响应可低达００１ｐＨ，对水中ＮＨ４＋的检测限为２×１０－６ｍｏｌ／Ｌ，ＳＯ３２－的检测限为２×１０－４ｍｏｌ／Ｌ；仪器体积小，可用电池供电、便于野外监测，检测准确、稳定，成本低廉．

多用途光纤生化传感器的设计与研制

采用发光二极管、大芯径大数值孔径分叉光导纤维作传光介质、硅光电二极管作探测器，以双光束补偿原理为基础，仅用一套光路、一套电路和计算机系统设计和研制成可供ｐＨ、ＮＨ３／ＮＨ＋４和ＳＯ２检测的多用途光纤生化检测系统。仪器具有体积小、检测灵敏度高、性能稳定、准确方便等优点；ｐＨ值的响应可低达０．０１ｐＨ、对水中的ＮＨ＋４检测限为２×１０－６ｍｏｌ／Ｌ、ＳＯ－３的检测限为２×１０－４ｍｏｌ／Ｌ。仪器可做成便携式，可用于环境监测、生物医学研究或临床诊断检测工作。

光纤输出光束的光强分布

本文给出了一个描写芯径较大的光纤输出光束的光强分布公式。该公式与光强分布的实测数据相符合，并具有一定的通用性。可用于外部调制强度型光纤传感器的调制机理分析及新型光纤传感器的设计。

激光偏振特性对分光镜分光比影响的实验研究

在强度调制型光纤传感器的应用中,光源的功率波动是影响传感器精度的关键。采用分光镜设置参考光路的强度补偿技术虽然理论上可以实现高精度的补偿,但是由于分光镜分光比会因激光光源的偏振特性变化而改变。在分析光源偏振方向的变化对分光镜分光比影响的基础上,用仿真和系统实验进行了验证。理论及实验结果的吻合证明了分光比受光源偏振特性影响成周期性变化的结论。

土木工程监测用光纤F-P位移测量技术

介绍了基于F -P原理的光纤位移计的基本原理 ,对一简支梁在三分点加载的中部挠度进行了测量 ,测得的结果与普通百分表的测量值相比较 ,两者吻合很好。光纤位移计固定在实验装置上保持不变 ,三个月后 ,再对梁的挠度进行测量 ,所得结果与百分表测量值吻合仍很好 ,表明基于F -P原理的光纤位移计具有很好的精度与稳定性 ,满足土木工程健康监测的要求 ,具有较好的应用前景。

用于远距离测速的光纤准直器研究

为了在空气炮内弹道测速中提高光纤准直器的工作距离,对光纤准直器结构进行改进,以实现远距离探测。列举了几种常见的准直透镜。从高斯光束原理以及可实现光学探测工作距离的角度出发,在C-LENS透镜原理基础上,提出了直径为16 mm的空气炮弹丸测速装置,并设计了长距离光纤准直器。在ZEMAX软件中对准直器进行仿真,利用优化函数求出透镜最大工作距离,并通过光束质量分析仪检测准直器性能指标。仿真结果进一步验证了准直器的可行性。通过在导轨上进行长距离返回光耦合效率试验,证明了该设计基本满足10~1 500 mm的探测要求,为光纤准直器的长距离测量提供了技术参考。

具有温度补偿功能的光纤振动测量系统

针对光纤振动传感器受温度影响和灵敏度低的问题,设计了具有温度补偿功能的光纤振动测量系统.为减小温度对振动测量的影响,系统利用光纤布喇格光栅测量环境温度,对振动加速度值进行补偿;采用可调谐法布里-珀罗滤波器进行波长解调,并将其作为光纤反射镜,以提高传感器的灵敏度.分析并测试了振动和温度同时测量时的相互影响,结果表明,振动对光纤布喇格光栅中心波长的影响很小,通过数据处理的方法,可消除法布里-珀罗滤波器扫描对振动测量的影响;实验测得,温度变化25℃时,振动加速度最大相对测量误差为1.65%,振动测量的灵敏度为107.70mV/g.

鼓泡床、湍动床固含率的相似分布规律

在内径为４７４ｍｍ的流化床中，采用双光路光纤密度探头分别研究了流化床密相区、稀相区空隙率径向分布，发现无论是在密相区还是在稀相区，鼓泡床、湍动床中的固含率径向分布均比提升管均匀得多。鼓泡床、湍动床中的固含率径向分布符合相似分布规律，即局部固含率与截面平均固含率成正比，仅是径向位置的函数，与操作气速无直接关系。

激光泡最大泡半径的测试与分析

采用自行研制的高灵敏度的光偏转测试系统,测量了激光泡在不同激光能量作用下前三次脉动空泡的最大半径,结果表明在作用相同激光能量的情况下,随着脉动次数的增加,最大泡半径依次减小;对应于同一次脉动,随着激光能量的增加,最大泡径呈增加趋势;在此基础上分析了各次脉动过程中空泡泡能衰减的规律,取得了理论和实验在误差范围内相一致的结果。

光纤倏逝波化学传感器灵敏度特性研究

为了克服传统光纤化学传感器的不足,运用宽光谱分析法设计一种基于倏逝波原理的光纤化学传感器,研究了传感器的几何结构参数,溶液浓度与灵敏度的关系。运用光束传播法(BPM)分析传感器几何结构参数与灵敏度的关系;通过化学腐蚀方法制备出不同参数结构的传感器,并用不同浓度亚甲基蓝溶液对这些传感器进行实验验证。实验结果表明,模拟结果与实验结果相符,溶液浓度越大,传感区纤芯越细、越长,灵敏度越高;文章提出的光纤倏逝波化学传感器在水质检测方面有着潜在的应用。

滑动式光纤布拉格光栅位移传感器

为克服现有光纤光栅位移传感器设计中存在的传力介质弹性系数易改变、滑块易产生偏移等对测量精度的不利影响,提出了一种滑动式位移传感器。楔形滑块的滑动面和限制面的采样互相垂直、等强度梁的变截面和一体化、滑动面圆弧化等特殊设计,使传感器具有抗滑动干扰性、梁挠位移测量的高灵敏性、长期往复测量的耐磨性等优点。阐述了传感器测量原理,加工制造了传感器原型,并开展了全面的性能测试。测试结果和误差分析表明:传感器在0~100mm的量程中,灵敏度为20.11pm/mm,精度达到0.099 5%F.S,具备良好的微位移测量能力;重复性误差和迟滞误差分别仅为0.705%和0.403%,且抗蠕变性能良好,可满足机械装备、土木工程等重大设施的结构健康监测对位移、变形测量的精度和长期稳定性要求。

利用光纤偏振分束器和保偏光纤的传感解调系统

提出了一种利用光纤偏振分束器(PBS)和保偏光纤(PMF)中偏振模间干涉原理实现光纤布拉格光栅波长解调的方案,以提高光纤光栅传感解调系统的解调精度和稳定性。运用矩阵光学原理建立了数学分析模型,由此给出了系统输出信号与光纤光栅布拉格波长之间的关系。通过仿真分析,研究了保偏光纤长度、输入光相对于保偏光纤主轴的偏振角度和光纤偏振分束器主轴方位对系统输出信号的影响,明确提出了提高系统灵敏度的方法。根据设计方案搭建了实验系统,并进行了实验验证。结果表明:该设计方案可行,系统的波长分辨率<1pm,测量精度<1pm,温度可测量范围为90℃。该系统测量精度高,其稳定性优于利用M-Z型干涉仪的解调装置。