特殊结构光纤光栅传感技术的研究

本文综述了各种光纤光栅传感系统的研究现状。概括了各种传感器的基本工作原理,介绍了最新的光纤布拉格光栅(FBG)、D型光纤光栅(D-FBG)、长周期光纤光栅(LFBG)、啁啾光纤光栅(CFG)、斜布拉格光纤光栅(TFBG)传感系统,针对这些传感系统提出了优化和改进。

光纤光栅传感器在路基沉降监测中的应用研究

针对路基沉降变形监测工程中存在的耗费大量人力,无法实时掌握路况信息的问题,研制开发了温度不敏感型光纤光栅沉降位移传感器,其量程达到100 mm,测量精度0.1 mm。对两个多月的现场试验数据分析表明,光纤沉降位移传感器实时反映了路基面的沉降状况,尤其对降水等因素引起的路基面沉降速率的变化能够及时准确的响应。

自放大结构分布反馈光纤激光器输出特性

在光敏性掺铒光纤上制作了45mm长非对称相移结构光纤光栅,构成前后向功率输出比大于100∶1的分布反馈光纤激光器.利用一定长度的掺铒光纤吸收有源相移光栅后的剩余泵浦光,实现了对前向输出激光信号的放大,并采用OptiSystem软件模拟了掺铒光纤长度与增益的关系.为了保持输出激光的窄线宽和低噪音特性,利用布喇格波长与激光相同的光纤光栅和光纤环行器构成光窄带滤波器,对放大后激光信号的ASE噪音进行滤除.研究表明:所设计的激光器结构充分利用了泵浦光,在300mW的(980nm)泵浦功率下获得了功率为32.5mW,线宽为11.5kHz,相对强度噪音为-87dB/Hz的激光输出.

分布反馈光纤激光器封装工艺

分析了分布反馈光纤激光器的声波敏感机理,发现阻断"弦"结构对声振动的传递和响应是隔声隔振封装工艺的关键.根据分析设计了一种主体为弧形中性轴线槽的封装结构,分布反馈光纤激光器有源相移光栅在一定预拉力下粘结固定在封装结构的槽中,光栅各点均贴附在弧形平面上.实验结果表明,这种结构有效消除了声致弯曲等效应的影响,使激光器窄线宽特性在外界声波和振动冲击下能够得到良好保持.同时,实现了激光波长大范围的温度调谐,波长温度调谐系数由10 pm/℃提高到30 pm/℃以上,且激光器输出性能稳定.

基于湍流振动的光纤干涉仪流量计的研究

针对石油测井中流量是确定石油生产和传输特性极其重要的参数,提出一种非浸入式光纤干涉仪流量测量方法。在油管外壁紧密缠绕传感光纤,当流体流过管壁时可由湍流产生振动,引起管壁的动态压力变化,导致传感光纤内的传输光相位发生变化,通过检测光相位的变化就可以获得相应的流量。在实验中找出管壁的振动频率特性,在此频率特性范围内确定出由湍流诱发的管壁振动加速度脉动值的标准方差与平均流量的量化关系,实现了5m3/h^50m3/h流量实时在线测量。

旋转机械设备故障诊断技术研究

在综合分析大量旋转机械故障智能诊断技术基础上,介绍了故障诊断技术国内外研究现状,目前各种故障诊断及振动分析方法,并对当前存在的智能故障诊断技术进行了详细阐述。最后对故障诊断技术存在的问题及未来发展前景进行了探讨和展望。

基于吸收光谱乙炔气体浓度在线检测系统的研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被选定的待测气体特征吸收谱线的吸收光谱,从而对待测气体进行定性或定量分析技术,与多次反射池相结合,利用谐波检测技术对所提取的微弱信号进行处理,设计了一套远距离在线测量乙炔气体监测系统,经过系统实验,能准确、快速地完成乙炔气体浓度的监测。

分布反馈光纤激光器自放大特性实验研究

通过相位掩膜板移动法,制作了非对称相移结构分布反馈光纤激光器(DFB-FL)。为了获得更高的激光功率,利用同样长度的掺铒光纤(EDF),分别采用同向泵浦和反向泵浦结构方式进行了窄线宽激光信号的自放大实验,结果表明,两种自放大结构的DFB-FL均可充分利用泵浦光功率,在保证激光线宽展宽有限的前提下,实现了激光信号至少23dB的功率放大。同时,实验结果对比说明,同向泵浦放大结构更有利于保持原激光信号的噪声特性。这为较大输出功率的DFBFL提供了一种简单可行的方案。

Er/Yb共掺光纤直写短腔激光器实验研究

分别对Nufern公司和CorActive公司的光敏性Er/Yb共掺单模光纤采用直接紫外曝光方式制备了分布反馈和分布布拉格反射结构的短腔光纤激光器。实验结果表明:Er/Yb共掺光纤存在与温度有关的猝灭效应。在激光斜率效率测试过程中,当抽运功率达到一定值时,出现了激光输出功率陡然降低的现象。对激光器谐振腔进行辅助散热时,激光转化效率有所升高。通过对同一台激光器进行先后测量发现,再次测量得到的激光器效率总是低于制作完成即时测量的数值;在高抽运条件下,输出功率衰退和受温度影响的状况总是存在。

基于管壁振动频率特性的光纤流量监测系统

为提高石油生产中原油采收率,需对原油采集时的流量进行实时监测。提出一种基于管壁振动频率的光纤流量监测系统,通过对缠绕在油管外壁的传感光纤感应流体经过管壁时由湍流产生的振动,从而实现流量监测。通过实验总结出管壁的振动频率特性,并在此频率特性范围内确定出平均流量与管壁振动加速度脉动值的标准方差的量化关系,求解出相应的流量。

煤矿采空区分布式测温光纤尾端位置实时判断方法

在煤矿采空区的应用环境中，分布式测温系统布设后，测温光纤在井下容易因顶板冒落被砸断或液压支架移动被剐断，会产生无效的测温数据。本文提出一种实时自动修正尾端位置的方法，实验表明，该方法有效判断光纤尾端位置，避免由光纤断裂带来的尾端无效数据问题。

光纤光栅制作中波长拉力控制技术的研究

介绍了在相位掩模板法制作光纤光栅的过程中,通过测量和调节光纤在拉直状态下所承受的拉力,从而精确控制光栅布拉格波长的光纤光栅制作方法。利用此方法,可使光纤光栅的波长制作误差控制在±0.05nm以内,并利用一定周期的相位掩模板制作5nm波长范围内的任意波长的光纤光栅,极大地提高了相位掩模板法制作技术的效率和灵活性。同时,提出了利用扫描曝光技术,在光纤光栅刻写过程中持续改变光纤拉力,制作啁啾光纤光栅的新方法。

光纤耦合结构长光程怀特池气体传感器

首先介绍了怀特(White)池的基本结构,分析了怀特池系统中光束反射次数对实际气体检测的影响。在此基础上,利用光纤准直器的光束耦合特性,设计了一种光纤耦合结构的长光程气体吸收池传感器,在20cm基本尺寸上实现了12m的吸收光程,在特定的温度范围内系统的光耦合效率稳定在55%以上,应用于有害气体的远程在线监测。

光纤布拉格光栅制作中热效应影响的实验研究

采用相位掩模板法,实验研究了准分子激光器制作光纤布拉格光栅(FBG)过程中,紫外光热效应对光栅生长过程和光谱结构的影响。研究发现,相位掩模板法直接曝光法中,对同一段光敏光纤进行累加曝光,其反射率不会随着曝光量的增大而线性增长,而在多次曝光时会产生光栅反射率变小的"漂白"现象,并且多次曝光的时间间隔越短,"漂白"的过程也越长;相同的曝光量下,激光器重复频率越高,则曝光所用时间越短,所形成的光纤光栅的反射率越高;扫描曝光制作光纤光栅时,在相同的曝光参数下,扫描移动方向的不同会导致光栅旁瓣分布规律的不同,由此提出了光栅制作过程中存在"热致啁啾"现象。

分布反馈式光纤激光器线宽特性及其展宽机理研究

针对分布反馈式光纤激光器(DFB-FL)线宽特性进行了深入研究.通过理论推导和实验验证,分析了自脉动、相移光栅、激射窗口宽度以及外界环境扰动等因素对DFB-FL线宽的展宽作用.进一步提出了压缩DFB-FL线宽的有效方法和途径,给出了自注入锁模方式下对DFB-FL线宽压缩的对比实验结果,将DFB-FL的线宽从35 kHz压缩到了10 kHz.

用于痕量检测微弱信号提取的锁相放大电路设计及实现

在分析了现代微弱信号检测的研究技术的基础上,设计了一种基于AD630芯片的锁相放大器电路,利用锁相放大器芯片内部的锁相与乘法功能,对参考信号与探测信号进行处理,实现了信号的锁相放大,通过合适的积分电路,实现了锁相放大器的设计。文章还对微弱信号的前置放大电路进行设计,从而提高了整个锁相放大器电路的整体性能。该电路成功应用于光纤痕量气体检测中,并实现了0.0001%浓度量级的一氧化碳痕量检测,提高了检测灵敏度,效果明显。

光纤甲烷温度双参数检测系统的研究

温度影响可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)式气体监测的准确性,研究了一种甲烷、温度同时检测的系统,两种参数互相校正,提高了气体监测的准确性,同时也提高了温度的检测精度。系统采用1653.7 nm中心波长的分布反馈(DFB)半导体激光器,采用锯齿波调制激光器使其波长扫描,同时扫描出光纤布拉格光栅(FBG)波长以及气体吸收强度,从而可以测出温度和甲烷两个检测量。温度检测可以校正由于温度变化引起的气体检测误差,同时,气体吸收线位置又可以为FBG进行准确的波长定位,使得温度检测精度更高。这种温度、甲烷双参数检测系统更加稳定可靠,更适合应用于煤矿开采和瓦斯抽采等领域。

煤矿管道泄漏监测系统设计

针对煤矿井下管道运行情况监测采用人工巡查法存在的耗费人力、物力及突发状况下难以发现泄漏点的问题,基于光纤传感技术及负压波信号检测与定位原理设计了一种煤矿管道泄漏监测系统,给出了系统结构,介绍了光纤压力传感器增敏结构、负压波下降沿信号精确获取技术等系统关键技术,并对系统进行了长期运行试验和可靠性试验。试验结果表明,该系统运行稳定、可靠,能有效识别阀门开闭、泵启停等正常工况变化,并能对突发的管道泄漏进行定位,定位误差小于1%。

π相移光纤光栅制作方法的比较研究

介绍了目前最常用的两种制作相移光纤光栅的方法，即分步曝光法（或遮挡法）和相位掩膜板移动法，对比分析了两种方法引入相移的物理机制，并利用传输矩阵法理论模型，数值模拟了两种制作方法下的相移光纤光栅透射谱，并分别进行了分布反馈光纤激光器（DFB-FL）的对比实验。结果表明，分步曝光法制作相移光纤光栅时，相移量与光栅中无曝光段的长度及纤芯折射率调制量均有关，难以精确控制相移量的大小，并且存在偏振模竞争问题；而相位掩膜板移动法通过压电陶瓷直线微动台控制掩膜板和光纤相对位移，在光栅中引入相位变换，可以将相移量控制在O～2”范围之内，更容易实现”相移光栅的制作。

基于多重曝光法的多波长FBG制备和实验研究

利用扫描曝光法,通过控制曝光前施加在光纤上的拉力,经过多次不同拉力状态下的光刻技术,实现了多波长光纤Bragg光栅(FBG)的制作。实验发现,多重曝光的子FBG位置和叠加程度对子FBG的谱形有很大的影响,只有当各层子FBG长度、位置完全重叠时,各波长光谱才不会受到短波振荡的影响;对载H增敏光纤,第n+1层子FBG的刻写,总会使前面n层子FBG的波长变大,反射率变强;而对掺Ge光敏光纤,多重曝光只将先制作的子FBG波长变大,而所有子FBG反射率都会变弱。通过合理设计曝光量,在载H单模光纤上制作了阻带谱形一致的四波长FBG。经实验测试,子FBG波长具有相同的温度系数和应变系数。