光纤布拉格光栅应变测量在天津奥体中心工程中的应用

阐述了光纤布拉格光栅的几种解调方法及实验原理框图,并介绍了各种解调方法的优缺点。

提出了一种基于fpga与dsp平台的光纤布拉格光栅传感分析仪,将外界参量的变化转化为光纤布拉格光栅波长的偏移,通过数据采集、过滤杂波、信号波峰检测、高斯曲线拟合以及加权波长计算等关键步骤来实现波长解调技术,进而完成温度、应变、压力或位移等对象的在线测量,并且可以实现光纤线路故障分析与定位的功能。实验结果表明:该系统功耗低、线性度好、波长解调精度与分辨率较高。经过长期测试,系统软硬件运行稳定可靠。

介绍了现行光纤布拉格光栅(fbg)测试技术的应用领域、传感原理以及常用的封装方式,探索将fbg用于季节冻土路基这种隐蔽工程应变检测中的适应性。主要工作有:(1)基于fbg测试技术的植入梁方法,在传感器布设方面,根据不同测试对象提出了两种封装布设方式:浅置短距离半柔性探测杆和深置长距离半刚性探测杆两种封装布设方式;(2)针对现场测试需要,对电源、光纤传感器、数据采集及分析等整套现场测试系统进行了比较优选;(3)选择两处季节冻土路基作为埋设场地并开展为期1a的观测。测试结果表明:fbg在-20~30℃的温差范围内保证了很高的存活率,所提出并实现的季节冻土路基应变测试系统具有较高的测试灵敏度和可靠性。该套测试系统为隐蔽工程的物理性质指标测试提供了新的技术手段。

介绍了现行光纤布拉格光栅（fbg）测试技术的应用领域、传感原理以及常用的封装方式,探索将fbg用于季节冻土路基这种隐蔽工程应变检测中的适应性。主要工作有：（1）基于fbg测试技术的植入梁方法,在传感器布设方面,根据不同测试对象提出了两种封装布设方式：浅置短距离半柔性探测杆和深置长距离半刚性探测杆两种封装布设方式;（2）针对现场测试需要,对电源、光纤传感器、数据采集及分析等整套现场测试系统进行了比较优选;（3）选择两处季节冻土路基作为埋设场地并开展为期1a的观测。测试结果表明：fbg在-20~30℃的温差范围内保证了很高的存活率,所提出并实现的季节冻土路基应变测试系统具有较高的测试灵敏度和可靠性。该套测试系统为隐蔽工程的物理性质指标测试提供了新的技术手段。

提出了一种基于级联长周期光纤光栅的光纤布拉格光栅解调系统。级联长周期光纤光栅作为边沿滤波器,利用它的一个线性区监测单个光纤布拉格光栅传感信号。该系统具有结构简单、价格低等优点,但易受光源抖动及系统其他不稳定因素等带来的系统噪声的影响。为消除系统噪声带来的不利影响,对该系统进行了改进。改进系统利用级联长周期光纤光栅的两个线性区同时监测两个光纤布拉格光栅传感信号。分别用原系统及其改进系统对温度进行监测,实验的温度测量范围为-70～-115°c。原系统的灵敏度为0.49mv/°c,温度分辨率为0.5°c;改进系统的灵敏度为0.86mv/°c,温度分辨率为0.3°c。实验结果表明改进系统能有效消除系统噪声,提高系统的精度。

根据理想模展开下的耦合模方程,对光纤布拉格光栅的峰值反射率公式进行了数学推导,得到了布拉格光纤光栅的光谱反射率表达式。全面讨论了光栅周期、光纤栅长、光致折射率微扰最大值等参数与光纤光栅反射光谱的关系。仿真结果显示了固定参数下布拉格光栅的极限窄带宽,得到的反射率为1、带宽为0.02nm的窄带宽布拉格光栅,比现今分布式传感系统中使用的布拉格光栅的带宽窄1个数量级。这种布拉格光纤光栅用于分布式传感系统,可大大提高分布式传感系统中光源的带宽利用率,消除各信号间的相互串扰,提高传感光栅复用数目,降低解调系统成本。

分析光纤光栅传感原理,阐述可调光纤f-p滤波器的工作机理和特点,并介绍了基于arm实现光纤布拉格光栅(fbg)传感器的解调系统的硬件结构和软件设计。采用三星公司的s3c44box对经过可调谐f-p腔解调后的波长信息进行采集,并对得到的数据进行处理。实验结果表明系统可以满足一般的工程要求。

为了研究镀ni光纤布拉格光栅(fbg)的温度灵敏度,根据镀nifbg的特点,分析了镀nifbg温度变化时的应力应变,从理论上推导出镀nifbg的温度灵敏度公式并通过实验进行了验证,用理论证明了镀nifbg的波长漂移、应力和应变与温度变化成线性关系,分析了镀nifbg的温度灵敏度与镀层厚度的关系。用an-sys软件对镀nifbg在温度变化时的应力应变进行了仿真。理论分析得到镀层厚度为4.56μm的镀nifbg的温度灵敏度为14.3306pm/℃,实验值为14.113pm/℃。理论、实验和仿真得到了一致的结果。

两电流产生的电磁力使等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布拉格光栅的布拉格波长漂移。通过检测两个布拉格光栅的波长漂移差,得到被测电流。双光纤布拉格光栅通过补偿温度效应,解决了光纤布拉格光栅传感器的交叉敏感问题。垂直放置的等腰三角形悬臂梁,确保光纤光栅在传感过程中不出现啁啾现象,又避免了自身重量和导线重量对测量结果的影响,从而减少了测量误差。该系统传感灵敏度为0.097nm/a,与理论值的相对误差为3.38%,结果表明该传感器结构是可行的。

研究了单模光纤布拉格光栅的偏振相关损耗(pdl)特性。运用耦合模理论和琼斯(jones)矩阵提出了反射光的有效偏振相关损耗(pdleff),并模拟了其随光栅参数和双折射量的变化性质。光栅反射光的偏振相关损耗在反射谱的带边处明显地表现出来,特别是带边比较陡峭时。结果表明,光栅的有效偏振相关损耗明显地依赖于光栅的结构参数和双折射量。光栅的有效偏振相关损耗随光栅长度和调制深度的增加急剧增大。对于给定光栅长度和调制深度的光栅,光栅双折射量小于2×10-5时,光栅的有效偏振相关损耗随双折射的增大迅速增大;光栅双折射量大于2.5×10-4时,光栅的有效偏振相关损耗的两个主峰的宽度变大并在其上有子峰,随双折射的继续增大,两主峰间距增大而子峰变小。实验结果与理论模拟基本吻合。

基于光纤光栅传感技术,采用光纤光栅应变计、光纤光栅温度计、光纤光栅位移计对一座既有预应力钢筋混凝土空心板桥的静、动载试验进行了测试;对比分析了传统传感技术与光纤光栅传感技术的测试结果。结果表明:传统传感器和光纤传感器实桥测量结果与计算结果均能吻合,均能够反映出桥梁的实际受力状态;且光纤光栅传感器可以真实反映加载的整个过程,实现加载过程的实时连续监控。

采用数值模拟的方法研究了光纤布拉格光栅(fbg)的非线性双稳开关特性。从耦合模理论出发,利用jacobi椭圆函数法得到了3种不同的解,首先对3种解下的非线性双稳开关特性分别进行比较,然后针对各个解下的影响开关特性的失谐量、耦合系数和光栅长度等参数进行分析,研究结果对于分析和构建非线性双稳fbg光开关具有一定的意义。

从布拉格光栅方程出发,理论上分析了在温度、应变双参量同时测量时,考虑温度-应变交叉灵敏度、二阶应变灵敏度和二阶温度灵敏度情况下,温度和应变测量的误差的一般数学公式.结合实验数据进行了温度和应变的误差计算,得出3个二阶灵敏度在不同的温度变化、应变范围内对测量误差的贡献不同.同时给出了波长的漂移量与温度、应变呈线性关系时,温度变化和应变的范围.

提出了基于可调激光器和声光脉冲调制的光纤布拉格光栅(fbg)传感系统,同时利用掺铒光纤放大器(edfa)和拉曼放大相结合的放大方案大幅度提高了光纤布拉格光栅传感系统的传输距离,达到了300km的超长距离传感。该系统通过前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源来补偿光纤布拉格光栅反射的光功率。系统在低于275km长度时获得了大于15db的优良信噪比;在300km处获得了4db的信噪比,以及明显的反射信号。系统在100,200,250,300km处的静态应变实验中,线性度均达到了0.999以上。系统可望在铁道、输油(气)管道、海岸线等的超长距离遥测中得到广泛应用。

推导并验证了非啁啾取样光纤布拉格光栅(sfbg)反射谱中反射峰值波长的表达式。基于种子光栅中心波长对应的折射率调制深度和取样光纤布拉格光栅折射率调制函数的傅里叶级数展开式,提炼出取样光纤布拉格光栅的折射率调制深度和各阶光栅周期,从而导出其反射峰值波长的表达式。由于考虑了占空比、取样周期等取样光纤布拉格光栅的结构参量,因而表达式能够描述反射峰的分布。仿真实验中,不同占空比或取样周期下计算出的反射峰值波长、信道间隔符合数值反射谱。该表达式既适用于均匀取样光纤布拉格光栅,也适用于交流切趾和交直流切趾取样光纤布拉格光栅。

载流导线在磁场中产生的电磁力使等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布拉格光栅(fbg)的布拉格波长漂移。通过检测2个fbg的波长漂移差,得到被测磁场的磁感应强度。双fbg通过补偿温度效应,解决了fbg传感器的交叉敏感问题。垂直放置的等腰三角形悬臂梁,确保fbg在传感过程中不出现啁啾现象,又避免了自身重量和导线重量对测量结果的影响,从而减少了测量误差。该系统传感灵敏度为1.11nm/t,与理论值的相对误差为4.31%,结果表明,该传感器结构是可行的。

在对光纤布拉格光栅应变传感原理分析的基础上,提出了一种易实用化的,能够实现武器弹丸炮口初速测试的方法,介绍了系统的基本组成,对光栅布拉格传感器弹丸炮口速度测试原理和方法进行了分析.和传统的测试方法比较,该测试方法能够实时连续测量火炮发射时每发弹丸的炮口初速,可以用于弹药可编程引信的实时装定,提高空爆弹药的杀伤力,也可以用于对火炮身管寿命的分析.

阐述了光纤布拉格光栅温度应力传感器的工作原理及光栅中心波长的移动探测解调原理,分析了光纤布拉格光栅传感器在油气管道监测系统中的应用和前景

阐述光纤布拉格光栅温度应力传感器的工作原理及光栅中心波长的移动探测解调原理,分析光纤布拉格光栅传感器在油气管道监测系统中的应用和前景。

文中介绍了光纤布拉格光栅的原理;根据耦合模方程,介绍了几种光栅的仿真方法;分别以光纤布拉格光栅滤波器、色散补偿器、相移光栅和采样光栅为例说明了光纤光栅的设计方法。

提出一种通过布拉格光纤光栅传输谱线计算其纤芯直径和折射率的方法.实验中采用较短波长的相位掩模板及紫外光照射载氢的单模光纤来写布拉格光栅.通过测量lp01模与反向传输的lp01、lp02模耦合所对应的损耗峰,并将对应的两中心波长分别带入色散方程,来计算同时满足布拉格光栅相位匹配条件的解,即可求出该光纤光栅纤芯直径和折射率.这种方法为测量光纤光栅参数提供了一种新的途径.

介绍了一种基于光纤布拉格光栅(fbg)传感原理的三维测头。fbg的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器,布拉格波长方程为λb=2neλ。外界应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期λ和纤芯折射率ne,并且fbg对轴向应变特别敏感。本测头采用三根竖直放置均布于圆柱面内的fbg,fbg的上端固定在一个固定架上,下部与一个支架连接。支架通过三根钼丝悬挂在内,测杆也固定在这个支架的中心,支架能够随测针一起自由偏摆。测杆与被测件接触时发生偏转,支架把偏摆量转化为对fbg的轴向应变,从而使fbg的布拉格波长变化。本测头传感系统采用匹配光纤光栅滤波的解调方式,选用四根参数一样的光纤光栅(其中三根做传感光栅,一根做参考光栅)。宽带光源经过耦合器进入传感fbg,从传感fbg反射的光经过耦合器进入匹配fbg,用高精度探测器测量匹配光栅的反射能量。当测杆偏摆时,传感fbg的布拉格波长受应变的影响而变化,从而使参考光栅反射的能量发生变化。本文主要介绍这种自主研发测头的结构分析,传感系统。