光纖布拉格光柵應變傳感器炮口初速測試技術

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波長計算等關鍵步驟來實現(xiàn)波長解調(diào)技術,進而完成溫度、應變、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)軟硬件運行穩(wěn)定可靠。

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)應變實驗中,線性度均達到了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用。

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行封裝,并通過實驗對祼光柵和封裝后光柵的溫度特性進行了研究.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行測量.先進行了祼光柵的測量,在光柵封裝之后又進行了測量.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.其線性擬合度達到0.996.

對采用光纖布拉格光柵(fbg)傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測某飛機機翼盒段外加載荷位置信息進行了研究。研究了fbg傳感器網(wǎng)絡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)絡拓撲結(jié)構(gòu)可靠性低的缺點,引入光開關,設計了一種具有更高可靠性的傳感器網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),并對這兩種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的可靠性進行了研究。結(jié)果表明,新傳感器網(wǎng)絡的可靠性明顯高于傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡的可靠性。單個傳感器的失效概率不同,兩種傳感器網(wǎng)絡可靠性差別也不同;當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)絡的失效率降為傳統(tǒng)網(wǎng)絡失效率的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)絡的失效率至少降低為傳統(tǒng)網(wǎng)絡失效率的12.5%。

根據(jù)彈性力學和邊界條件,得出了光纖布拉格光柵(fbg)傳感器應變測量值與基體材料實際應變的關系方程。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檢測應變與測點實際應變的誤差及修正系數(shù)。并對固化于cfrp的fbg變傳感特性進行了實驗研究。結(jié)果表明:fbgbragg波長對應變表現(xiàn)出很好的線性和重復性。用電阻應變儀對fbg傳感器應變傳感特性進行實驗對比標定,得出了表征fbg性能的應變傳感靈敏系數(shù)。fbg傳感器具有優(yōu)異的應變傳感特性,為先進智能復合材料的研發(fā)與應用提供了依據(jù)。

為了實現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)加速度信號的準確測量,提出了一種新穎的雙懸梁fbg加速度傳感器。設計了傳感器的結(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、溫度響應、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系,線性度為99.8%;在67.5～27.5℃內(nèi)進行了溫度補償實驗,能有效消除溫度的影響;傳感器具有較好的平坦區(qū)和較強的抗干擾能力。

設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傳感機構(gòu)和文丘里管。導出了雙光纖布拉格光柵的波長漂移差與流速的關系。壓強傳感機構(gòu)中的密閉鋁箔管橫截面兩邊的壓力差導致等腰三角形懸臂梁變形,從而導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償溫度效應,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,該設計方案是切實可行的。

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

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用作了詳細的闡述;為進一步了解其性能,對布拉格光柵應變傳感器進行了抗電磁干擾、抗零飄、重復性等性能進行測試,并與傳統(tǒng)的電阻應變片做了對比,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)合的光纖光柵壓強傳感器的組合設計,推導了光纖布拉格光柵中心波長偏移量與壓強之間的解析關系式。理論和實驗結(jié)果表明,壓強調(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.

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)設計保證纜索索力測試的大應力監(jiān)測要求。針對應變傳感器與鋼絲的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械連接方式進行了張拉性能測試。由標定的傳感器力敏系數(shù)可知,在鋼絲產(chǎn)生5000×10-6的應變變化下,光纖光柵實際中心波長變化不超過2900pm,達到了減敏效果,傳感器可以滿足大索力長期測試要求。

光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器

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。

提出了一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級聯(lián)長周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個線性區(qū)監(jiān)測單個光纖布拉格光柵傳感信號。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低等優(yōu)點,但易受光源抖動及系統(tǒng)其他不穩(wěn)定因素等帶來的系統(tǒng)噪聲的影響。為消除系統(tǒng)噪聲帶來的不利影響,對該系統(tǒng)進行了改進。改進系統(tǒng)利用級聯(lián)長周期光纖光柵的兩個線性區(qū)同時監(jiān)測兩個光纖布拉格光柵傳感信號。分別用原系統(tǒng)及其改進系統(tǒng)對溫度進行監(jiān)測,實驗的溫度測量范圍為-70～-115°c。原系統(tǒng)的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進系統(tǒng)的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實驗結(jié)果表明改進系統(tǒng)能有效消除系統(tǒng)噪聲,提高系統(tǒng)的精度。

針對裸光纖布拉格光柵應變監(jiān)測量程或精度有限的問題,提出了一種靈敏度系數(shù)可調(diào)光纖布拉格光柵應變傳感器的設計方法。理論和實驗研究了該方法在增大光纖布拉格光柵應變監(jiān)測量程或提高精度方面的性能,并以此研制了基片表面粘貼式和frp封裝式兩種封裝結(jié)構(gòu)的靈敏度系數(shù)可調(diào)應變傳感器。理論分析并實驗標定了傳感器的靈敏度系數(shù)。最后,對傳感器理論和實驗靈敏度系數(shù)誤差進行了分析,指出了改進的方向。實驗結(jié)果表明:兩種封裝結(jié)構(gòu)的大量程傳感器的量程分別增加了243%和126%,高精度傳感器的精度提高至0.51με和0.52με。傳感器標定實驗表明,兩種封裝結(jié)構(gòu)的傳感器都有很好的線性度和重復性,相關系數(shù)達到0.999以上。

基于模態(tài)分析理論,對柔性立管模型進行了渦激振動試驗測試技術研究。對立管表面應變片的布置進行了設計,在模型試驗中應用光纖光柵傳感器對立管模型的應變時歷進行了測量,并據(jù)此計算得到了柔性立管模型的位移時間歷程和加速度時間歷程。試驗對立管振動的加速度進行了測量,通過兩個加速度時間歷程的相互對比分析及與理論計算結(jié)果的對比,驗證了光纖光柵技術進行柔性立管渦激振動試驗的可行性及可靠性。

根據(jù)光纖布喇格光柵的光學傳感原理,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)良好的線性關系,線性度高于0.999,靈敏度可達-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行調(diào)整,以滿足各種應用場合.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.

提出了基于光纖布拉格光柵(fbg)包層模式的折射率傳感方案。實驗中,利用不同濃度的丙三醇水溶液作為外界折射率傳感溶液,采用氫氟酸溶液化學腐蝕的方法來減小光纖包層的直徑以增大包層模式對外界折射率的敏感度,研究了腐蝕后光纖布拉格光柵包層模式的耦合波長對外部折射率的變化關系。實驗結(jié)果表明在1.3300~1.4584的折射率范圍內(nèi),包層模式耦合波長隨外界折射率增大而增大,在接近光纖包層折射率處具有很高的折射率靈敏度,最大達到了172nm/riu(refractiveindexunit)。而且,包層模諧振的光譜半峰全寬(約0.07nm)僅為布拉格纖芯模諧振光譜半峰全寬的1/4,能夠獲得更好的傳感精度。

研制了一種金屬環(huán)封裝的單柱體芯軸式光纖布拉格光柵(fbg)振動傳感器,搭建了基于非平衡邁克耳遜干涉儀相位載波調(diào)制(pgc)解調(diào)技術的fbg振動傳感器解調(diào)系統(tǒng),實現(xiàn)了低頻振動信號的高精度實時解調(diào),并分析了各參數(shù)對傳感器諧振頻率和靈敏度等特性的影響。實驗結(jié)果表明,研制的fbg振動傳感器諧振頻率為388hz,在10～200hz頻率范圍內(nèi),傳感器的加速度靈敏度約為81pm/g,且加速度響應平坦,起伏小于1db,與理論分析結(jié)果基本一致。研制的振動傳感器可實現(xiàn)200hz以下低頻振動信號的實時檢測,解調(diào)系統(tǒng)的波長檢測精度為1.07×10-3pm,最小可檢測加速度為1.3×10-5g。

理論分析和模擬計算了少模光纖布拉格光柵基模及高階模的耦合與傳輸特性,得到在相同外部折射率變化情況下,少模光纖基模與高階模耦合對應的布拉格波長變化,比正、反向基模之間耦合對應的布拉格波長變化顯著增大。實驗上制作了少模光纖布拉格光柵,測量了基模之間以及基模與高階模之間對應的布拉格波長隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結(jié)果。而對于溫度變化對折射率測量結(jié)果干擾的問題,提出了通過計算布拉格波長差來克服溫度影響的方法。這些結(jié)果為采用布拉格光纖光柵測量外部折射率變化提供了一種新的途徑。

根據(jù)理想模展開下的耦合模方程,對光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進行了數(shù)學推導,得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達式。全面討論了光柵周期、光纖柵長、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個數(shù)量級。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,消除各信號間的相互串擾,提高傳感光柵復用數(shù)目,降低解調(diào)系統(tǒng)成本。

分析了適用于動態(tài)應變測量的光纖光柵傳感器所應滿足的條件,并進行了相關實驗。在實驗的基礎上,設計并制作了一種適用于工程化的光纖光柵動態(tài)應變傳感器。對等強度水泥梁以及實際工程中的盧浦大橋等場合,用該光纖光柵應變傳感器與傳統(tǒng)的電阻應變片傳感器進行了對比驗證。實驗結(jié)果表明,光纖光柵應變傳感器具有很高的精度