帶溫度補(bǔ)償新型光纖布拉格光柵水聽(tīng)器

介紹了光纖布拉格光柵傳感器測(cè)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(duì)布拉格光纖光柵進(jìn)行封裝,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)祼光柵和封裝后光柵的溫度特性進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)采用了恒溫水浴裝置,在25℃至70℃溫度范圍使用了中心波長(zhǎng)為1530.5nm的光纖布拉格光柵進(jìn)行測(cè)量.先進(jìn)行了祼光柵的測(cè)量,在光柵封裝之后又進(jìn)行了測(cè)量.實(shí)驗(yàn)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.

提出了一種基于fpga與dsp平臺(tái)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(zhǎng)的偏移,通過(guò)數(shù)據(jù)采集、過(guò)濾雜波、信號(hào)波峰檢測(cè)、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長(zhǎng)計(jì)算等關(guān)鍵步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù),進(jìn)而完成溫度、應(yīng)變、壓力或位移等對(duì)象的在線測(cè)量,并且可以實(shí)現(xiàn)光纖線路故障分析與定位的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)功耗低、線性度好、波長(zhǎng)解調(diào)精度與分辨率較高。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期測(cè)試,系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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

本文首先提出了一些溫度補(bǔ)償?shù)牡湫头椒?然后設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠?qū)Σ祭窆饫w光柵實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)碾p金屬結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了研究。最后,雙金屬結(jié)構(gòu)的布拉格光柵的溫度特性在-5～+50℃的溫度范圍內(nèi)做了測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雙金屬結(jié)構(gòu)的布拉格光柵的溫度系數(shù)減小了4倍。

光纖布拉格光柵(fbg)中心反射波長(zhǎng)隨溫度變化會(huì)發(fā)生漂移,影響光纖激光器輸出波長(zhǎng)的穩(wěn)定性和光纖光柵傳感器精度。為消除光纖光柵中心波長(zhǎng)溫漂特性,設(shè)計(jì)了一種新型光纖光柵溫度補(bǔ)償裝置,詳細(xì)闡述了其工作原理,并理論推導(dǎo)了點(diǎn)膠位置的計(jì)算公式。這種新結(jié)構(gòu)易調(diào)整光纖光柵粘結(jié)位置,從而可調(diào)整光纖光柵溫度補(bǔ)償有效長(zhǎng)度。為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論分析的正確性,搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并對(duì)封裝前后光纖光柵中心反射波長(zhǎng)溫度漂移率進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,在-30~70℃溫度范圍內(nèi),封裝前光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的溫度漂移率為0.0095nm/℃,封裝后中心反射波長(zhǎng)溫度漂移率僅為0.0002nm/℃,溫度穩(wěn)定性提高了約40倍。

提出了一種基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個(gè)線性區(qū)監(jiān)測(cè)單個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號(hào)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但易受光源抖動(dòng)及系統(tǒng)其他不穩(wěn)定因素等帶來(lái)的系統(tǒng)噪聲的影響。為消除系統(tǒng)噪聲帶來(lái)的不利影響,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)系統(tǒng)利用級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的兩個(gè)線性區(qū)同時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號(hào)。分別用原系統(tǒng)及其改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)驗(yàn)的溫度測(cè)量范圍為-70～-115°c。原系統(tǒng)的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進(jìn)系統(tǒng)的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)系統(tǒng)能有效消除系統(tǒng)噪聲,提高系統(tǒng)的精度。

從布拉格光柵方程出發(fā),理論上分析了在溫度、應(yīng)變雙參量同時(shí)測(cè)量時(shí),考慮溫度-應(yīng)變交叉靈敏度、二階應(yīng)變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應(yīng)變測(cè)量的誤差的一般數(shù)學(xué)公式.結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度和應(yīng)變的誤差計(jì)算,得出3個(gè)二階靈敏度在不同的溫度變化、應(yīng)變范圍內(nèi)對(duì)測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)不同.同時(shí)給出了波長(zhǎng)的漂移量與溫度、應(yīng)變呈線性關(guān)系時(shí),溫度變化和應(yīng)變的范圍.

載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的電磁力使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(fbg)的布拉格波長(zhǎng)漂移。通過(guò)檢測(cè)2個(gè)fbg的波長(zhǎng)漂移差,得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。雙fbg通過(guò)補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了fbg傳感器的交叉敏感問(wèn)題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過(guò)程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,從而減少了測(cè)量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對(duì)誤差為4.31%,結(jié)果表明,該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

兩電流產(chǎn)生的電磁力使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(zhǎng)漂移。通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)布拉格光柵的波長(zhǎng)漂移差,得到被測(cè)電流。雙光纖布拉格光柵通過(guò)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(wèn)題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過(guò)程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,從而減少了測(cè)量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對(duì)誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

直接監(jiān)測(cè)電力設(shè)備內(nèi)部元件所受應(yīng)力可以直觀反映電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段不能直接深入電力設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè).研制了一種帶溫度補(bǔ)償?shù)墓饫wbragg光柵應(yīng)變傳感器,可以對(duì)電力設(shè)備內(nèi)部元件所受應(yīng)力和溫度進(jìn)行檢測(cè).研制的應(yīng)變傳感器選取了35kv干式空心電抗器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,監(jiān)測(cè)了一次干式電抗器固化過(guò)程中包封所受應(yīng)力和溫度的變化趨勢(shì).將為變電站內(nèi)高壓電力設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供理論和實(shí)踐依據(jù).

根據(jù)理想模展開(kāi)下的耦合模方程,對(duì)光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達(dá)式。全面討論了光柵周期、光纖柵長(zhǎng)、光致折射率微擾最大值等參數(shù)與光纖光柵反射光譜的關(guān)系。仿真結(jié)果顯示了固定參數(shù)下布拉格光柵的極限窄帶寬,得到的反射率為1、帶寬為0.02nm的窄帶寬布拉格光柵,比現(xiàn)今分布式傳感系統(tǒng)中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個(gè)數(shù)量級(jí)。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統(tǒng),可大大提高分布式傳感系統(tǒng)中光源的帶寬利用率,消除各信號(hào)間的相互串?dāng)_,提高傳感光柵復(fù)用數(shù)目,降低解調(diào)系統(tǒng)成本。

分析光纖光柵傳感原理,闡述可調(diào)光纖f-p濾波器的工作機(jī)理和特點(diǎn),并介紹了基于arm實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)傳感器的解調(diào)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。采用三星公司的s3c44box對(duì)經(jīng)過(guò)可調(diào)諧f-p腔解調(diào)后的波長(zhǎng)信息進(jìn)行采集,并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)可以滿足一般的工程要求。

基于光纖光柵傳感技術(shù),采用光纖光柵應(yīng)變計(jì)、光纖光柵溫度計(jì)、光纖光柵位移計(jì)對(duì)一座既有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試;對(duì)比分析了傳統(tǒng)傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明:傳統(tǒng)傳感器和光纖傳感器實(shí)橋測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實(shí)際受力狀態(tài);且光纖光柵傳感器可以真實(shí)反映加載的整個(gè)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)加載過(guò)程的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控。

采用數(shù)值模擬的方法研究了光纖布拉格光柵(fbg)的非線性雙穩(wěn)開(kāi)關(guān)特性。從耦合模理論出發(fā),利用jacobi橢圓函數(shù)法得到了3種不同的解,首先對(duì)3種解下的非線性雙穩(wěn)開(kāi)關(guān)特性分別進(jìn)行比較,然后針對(duì)各個(gè)解下的影響開(kāi)關(guān)特性的失諧量、耦合系數(shù)和光柵長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行分析,研究結(jié)果對(duì)于分析和構(gòu)建非線性雙穩(wěn)fbg光開(kāi)關(guān)具有一定的意義。

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(shí)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(zhǎng)距離傳感。該系統(tǒng)通過(guò)前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來(lái)補(bǔ)償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長(zhǎng)度時(shí)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(hào)。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)距離遙測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

針對(duì)傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測(cè)技術(shù)中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實(shí)現(xiàn)體內(nèi)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)原理及應(yīng)用方式.基于fbg應(yīng)力傳感原理,將不同中心波長(zhǎng)的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進(jìn)行載荷實(shí)驗(yàn),隨后將采集的布拉格波長(zhǎng)換算成形變,實(shí)時(shí)顯示骨骼受載荷時(shí)的形變趨勢(shì).實(shí)驗(yàn)采用在多點(diǎn)粘貼f3g的方式,避免了溫度、應(yīng)變交叉?zhèn)鞲械膯?wèn)題.實(shí)驗(yàn)表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長(zhǎng)變化與該位置受力產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達(dá)39.00525pm/mm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)發(fā)展微型、實(shí)時(shí)、集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

推導(dǎo)并驗(yàn)證了非啁啾取樣光纖布拉格光柵(sfbg)反射譜中反射峰值波長(zhǎng)的表達(dá)式?；诜N子光柵中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的折射率調(diào)制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調(diào)制函數(shù)的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度和各階光柵周期,從而導(dǎo)出其反射峰值波長(zhǎng)的表達(dá)式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)參量,因而表達(dá)式能夠描述反射峰的分布。仿真實(shí)驗(yàn)中,不同占空比或取樣周期下計(jì)算出的反射峰值波長(zhǎng)、信道間隔符合數(shù)值反射譜。該表達(dá)式既適用于均勻取樣光纖布拉格光柵,也適用于交流切趾和交直流切趾取樣光纖布拉格光柵。

光纖傳感器作為一種線性的測(cè)試儀器,應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域時(shí),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(guò)混凝土試件的加載試驗(yàn),對(duì)fbg應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變計(jì)量測(cè)混凝土的應(yīng)變測(cè)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(chǎng)應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)室中將得到更加廣泛的應(yīng)用。

基于光纖布拉格光柵傳感器的基本原理,對(duì)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(duì)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(cè)試,并與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片做了對(duì)比,顯示了令人滿意的效果,為工程健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用指出了廣闊的前景。

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(jì),推導(dǎo)了光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)偏移量與壓強(qiáng)之間的解析關(guān)系式。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,壓強(qiáng)調(diào)諧光纖布拉格波長(zhǎng)的靈敏度系數(shù)的理論值與實(shí)驗(yàn)值分別為0.2246nm/mpa、0.2218nm/mpa,在0~6mpa測(cè)壓范圍內(nèi),調(diào)諧范圍為1.35nm.

文中介紹了光纖布拉格光柵的原理;根據(jù)耦合模方程,介紹了幾種光柵的仿真方法;分別以光纖布拉格光柵濾波器、色散補(bǔ)償器、相移光柵和采樣光柵為例說(shuō)明了光纖光柵的設(shè)計(jì)方法。

闡述了光纖布拉格光柵的重構(gòu)理論及被廣泛采用的剝層算法,指出了剝層算法在重構(gòu)強(qiáng)反射光柵時(shí)的弊端,提出了一種剝層算法和遺傳算法相結(jié)合的方法來(lái)重構(gòu)強(qiáng)反射光柵。此方法先由剝層算法得到光柵耦合系數(shù)的初始值,再依據(jù)重新采樣后的初始值創(chuàng)建初始種群,通過(guò)遺傳算法實(shí)現(xiàn)對(duì)剝層算法所得結(jié)果的后半部分進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)值模擬表明此方法有效地改善了剝層算法的結(jié)果,具有較快的收斂速度和很好的精度,能適用于大多數(shù)強(qiáng)反射光柵的重構(gòu)。