提出了一種基于fpga與dsp平臺的光纖布拉格光柵傳感分析儀,將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為光纖布拉格光柵波長的偏移,通過數(shù)據(jù)采集、過濾雜波、信號波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長計算等關(guān)鍵步驟來實現(xiàn)波長解調(diào)技術(shù),進(jìn)而完成溫度、應(yīng)變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實現(xiàn)光纖線路故障分析與定位的功能。實驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)功耗低、線性度好、波長解調(diào)精度與分辨率較高。經(jīng)過長期測試,系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

介紹了光纖布拉格光柵傳感器測溫的基本原理以及一些布拉格光纖的封裝方法,在此基礎(chǔ)之上探討了一種新型的布拉格光纖光柵的封裝方法即用鋼條對布拉格光纖光柵進(jìn)行封裝,并通過實驗對祼光柵和封裝后光柵的溫度特性進(jìn)行了研究.實驗采用了恒溫水浴裝置,在25℃至70℃溫度范圍使用了中心波長為1530.5nm的光纖布拉格光柵進(jìn)行測量.先進(jìn)行了祼光柵的測量,在光柵封裝之后又進(jìn)行了測量.實驗結(jié)果表明,光纖光柵在封裝之后溫度靈敏度為裸光柵的2.5倍.其線性擬合度達(dá)到0.996.

根據(jù)彈性力學(xué)和邊界條件,得出了光纖布拉格光柵(fbg)傳感器應(yīng)變測量值與基體材料實際應(yīng)變的關(guān)系方程。通過裸光柵直埋基體材料界面?zhèn)鬟f的特征系數(shù),可表征和計算fbg檢測應(yīng)變與測點(diǎn)實際應(yīng)變的誤差及修正系數(shù)。并對固化于cfrp的fbg變傳感特性進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明:fbgbragg波長對應(yīng)變表現(xiàn)出很好的線性和重復(fù)性。用電阻應(yīng)變儀對fbg傳感器應(yīng)變傳感特性進(jìn)行實驗對比標(biāo)定,得出了表征fbg性能的應(yīng)變傳感靈敏系數(shù)。fbg傳感器具有優(yōu)異的應(yīng)變傳感特性,為先進(jìn)智能復(fù)合材料的研發(fā)與應(yīng)用提供了依據(jù)。

設(shè)計了一種基于雙光纖布拉格光柵的新型流速傳感器,它包括雙光纖光柵壓強(qiáng)傳感機(jī)構(gòu)和文丘里管。導(dǎo)出了雙光纖布拉格光柵的波長漂移差與流速的關(guān)系。壓強(qiáng)傳感機(jī)構(gòu)中的密閉鋁箔管橫截面兩邊的壓力差導(dǎo)致等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個布拉格光柵的波長漂移差,得到被測流體的流速。雙光纖布拉格光柵通過補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。該流速傳感器的動態(tài)測量范圍為8～200mm/s。實驗表明,雙光纖布拉格光柵的中心波長隨流速的增加分別向長波和短波方向漂移,而帶寬幾乎不變,實驗和理論符合得較好,該設(shè)計方案是切實可行的。

基于光纖布拉格光柵傳感器的基本原理,對在土木工程中的應(yīng)用作了詳細(xì)的闡述;為進(jìn)一步了解其性能,對布拉格光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行了抗電磁干擾、抗零飄、重復(fù)性等性能進(jìn)行測試,并與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片做了對比,顯示了令人滿意的效果,為工程健康監(jiān)測應(yīng)用指出了廣闊的前景。

對采用光纖布拉格光柵(fbg)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測某飛機(jī)機(jī)翼盒段外加載荷位置信息進(jìn)行了研究。研究了fbg傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器失效對外加載荷位置識別精度的影響程度;針對傳統(tǒng)fbg傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性低的缺點(diǎn),引入光開關(guān),設(shè)計了一種具有更高可靠性的傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并對這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,新傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性明顯高于傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性。單個傳感器的失效概率不同,兩種傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性差別也不同;當(dāng)單個元器件的失效概率在0.001~0.01之間變動時,若系統(tǒng)允許外加載荷位置識別誤差在5mm內(nèi),則新傳感器網(wǎng)絡(luò)的失效率降為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)失效率的50%;若系統(tǒng)允許外加載荷位置識別誤差在10mm內(nèi),則新傳感器網(wǎng)絡(luò)的失效率至少降低為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)失效率的12.5%。

在對光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感原理分析的基礎(chǔ)上,提出了一種易實用化的,能夠?qū)崿F(xiàn)武器彈丸炮口初速測試的方法,介紹了系統(tǒng)的基本組成,對光柵布拉格傳感器彈丸炮口速度測試原理和方法進(jìn)行了分析.和傳統(tǒng)的測試方法比較,該測試方法能夠?qū)崟r連續(xù)測量火炮發(fā)射時每發(fā)彈丸的炮口初速,可以用于彈藥可編程引信的實時裝定,提高空爆彈藥的殺傷力,也可以用于對火炮身管壽命的分析.

為了實現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)加速度信號的準(zhǔn)確測量,提出了一種新穎的雙懸梁fbg加速度傳感器。設(shè)計了傳感器的結(jié)構(gòu)及封裝方法,理論分析了傳感器的工作原理。實驗研究了傳感器的線性響應(yīng)、溫度響應(yīng)、共振頻率和方向抗干擾特性,結(jié)果表明,傳感器的加速度響應(yīng)靈敏度為7.81pm/m/s2,相對誤差為2.62%,加速度與波長具有較好的線性關(guān)系,線性度為99.8%;在67.5～27.5℃內(nèi)進(jìn)行了溫度補(bǔ)償實驗,能有效消除溫度的影響;傳感器具有較好的平坦區(qū)和較強(qiáng)的抗干擾能力。

光纖傳感器作為一種線性的測試儀器,應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域時,較傳統(tǒng)傳感器有更多的優(yōu)越性和更加廣泛的應(yīng)用前景。介紹了光纖bragg傳感器的工作原理及應(yīng)用,并通過混凝土試件的加載試驗,對fbg應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變計量測混凝土的應(yīng)變測量進(jìn)行了比較。提出準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器在現(xiàn)場應(yīng)用及實驗室中將得到更加廣泛的應(yīng)用。

基于光纖布拉格光柵傳感模型,提出了一種懸臂梁與波登管相結(jié)合的光纖光柵壓強(qiáng)傳感器的組合設(shè)計,推導(dǎo)了光纖布拉格光柵中心波長偏移量與壓強(qiáng)之間的解析關(guān)系式。理論和實驗結(jié)果表明,壓強(qiáng)調(diào)諧光纖布拉格波長的靈敏度系數(shù)的理論值與實驗值分別為0.2246nm/mpa、0.2218nm/mpa,在0~6mpa測壓范圍內(nèi),調(diào)諧范圍為1.35nm.

目前,把光能直接變?yōu)殡娔苤饕抢霉夥骷?。這種器件又有多種形式,其理論效率20%左右,而實際效率僅約10%。各種植物的綠葉或藻類細(xì)胞含有某種結(jié)構(gòu),能把光子能轉(zhuǎn)換為包含碳、氫、氧和少量其他元素(如鎂)的化學(xué)能。這種過程就是光合作用,這也是光化轉(zhuǎn)換的一種方式。其他一些利用光電化學(xué)能直接產(chǎn)生電能的方法,其效率為6%到7%,理論效率也只有20%。美國的alvinm.marks發(fā)明了一種和普通光電池根本不同的光電功率轉(zhuǎn)換器。它利用微型偶極天線陣和微型整流器,將光子能直接變?yōu)橹绷麟娔?可將轉(zhuǎn)換效率提高到75%。

光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器

提出了基于可調(diào)激光器和聲光脈沖調(diào)制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統(tǒng),同時利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結(jié)合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的傳輸距離,達(dá)到了300km的超長距離傳感。該系統(tǒng)通過前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來補(bǔ)償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長度時獲得了大于15db的優(yōu)良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應(yīng)變實驗中,線性度均達(dá)到了0.999以上。系統(tǒng)可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長距離遙測中得到廣泛應(yīng)用。

本文從理論上研究和分析了一種基于otdr和tdm技術(shù)的新型光纖布拉格光柵復(fù)用方法的復(fù)用能力。這種方法可以在同一根光纖上復(fù)用成百個全同的低反射率布拉格光柵,從而使布拉格光柵傳感器在航空航天健康監(jiān)測領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。分析表明,當(dāng)布拉格光柵的反射率足夠低時,系統(tǒng)的復(fù)用能力可以大大提高。因此,基于這種復(fù)用方法,可以實現(xiàn)廉價的大規(guī)模分布傳感系統(tǒng)。在評價這種系統(tǒng)的復(fù)用能力時,我們第一次提出應(yīng)該考慮光柵間多次反射光的干涉效應(yīng)的影響。

根據(jù)耦合模理論,數(shù)值模擬了多模光纖布拉格光柵的傾斜角度對纖芯基模向纖芯高階模式的轉(zhuǎn)換問題.反射光譜的數(shù)值計算中,假定只有l(wèi)p01模式激發(fā)情況下lp01模式與lp11模式的轉(zhuǎn)換。

闡述了光纖布拉格光柵的幾種解調(diào)方法及實驗原理框圖,并介紹了各種解調(diào)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

根據(jù)光纖布喇格光柵的光學(xué)傳感原理,提出了一種基于懸臂梁及金屬彈性膜片的光纖布喇格光柵沉降傳感器結(jié)構(gòu),對其傳感特性進(jìn)行了實驗研究.實驗通過產(chǎn)生水的液位差來模擬地基沉降,分析結(jié)果顯示,光纖布喇格光柵中心反射波長漂移對液位差呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,線性度高于0.999,靈敏度可達(dá)-2.11pm/mm.通過改變懸臂梁厚度和有效長度,可以對傳感器測量范圍和靈敏度進(jìn)行調(diào)整,以滿足各種應(yīng)用場合.綜合實驗結(jié)果,該傳感器在橋梁、鐵路地基等沉降監(jiān)測方面具有重要意義.

基于壓電陶瓷的光纖光柵傳感器的設(shè)計。主要方法是利用改變壓電陶瓷的相關(guān)封裝的新結(jié)構(gòu),再結(jié)合光纖光柵而制成的電壓傳感器。由實驗結(jié)果得出:在0～160v的電壓范圍內(nèi),中心波長的變化與該傳感器兩端的電壓的改變有很好的線性關(guān)系,線性擬合度可達(dá)0.99,線性調(diào)諧的波長范圍約為1.6nm。

光纖光柵位移傳感器

采用靶式結(jié)構(gòu)作為光纖bragg光柵流量傳感器的換能元件,其中兩片光柵分別粘貼于等強(qiáng)度懸臂梁的上下兩表面。采用雙光柵粘貼方式對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償,有效的解決了應(yīng)變與溫度交叉敏感的問題,提高了測量靈敏度。實驗表明該靶式光纖bragg光柵流量傳感器的載荷響應(yīng)靈敏度為33.6pm/kg,測量精度為0.5%。

針對纜索局部埋植傳感器測試索力的特殊要求,特制光纖光柵應(yīng)變傳感器,傳感器封裝保證光纖光柵植入纜索的成活率,減敏結(jié)構(gòu)設(shè)計保證纜索索力測試的大應(yīng)力監(jiān)測要求。針對應(yīng)變傳感器與鋼絲的2種連接方式,即傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)膠連接和特制的抱箍機(jī)械連接方式進(jìn)行了張拉性能測試。由標(biāo)定的傳感器力敏系數(shù)可知,在鋼絲產(chǎn)生5000×10-6的應(yīng)變變化下,光纖光柵實際中心波長變化不超過2900pm,達(dá)到了減敏效果,傳感器可以滿足大索力長期測試要求。

采用耦合波理論分析了光纖光柵對光的反射機(jī)理及其傳感原理,提出了光纖光柵在溫度測量和位移測量中的應(yīng)用方案,給出了實驗結(jié)果,展望了光纖光柵在光纖傳感和光纖通信方面的應(yīng)用前景.