光纖布喇格光柵在高速鐵路異物侵陷監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究

闡述了由耦合模理論得到的光纖布喇格光柵的反射率的表達式,并且由此表達式導出了光纖布喇格光柵的反射特性和反射中心波長。理論分析了反射波長λ、光柵柵距λ,折射率微擾的最大值δnmax,光柵區(qū)長度l和反射率rg之間的關系。

光纖布喇格光柵(fbg)封裝技術是光器件集成化中的一項關鍵技術。提出了一種全部注膠的封裝方案,由于膠水固化時所產生的應力使得光纖布喇格光柵的性能出現劣化,反射譜和透射譜出現多峰。在第二套封裝方案中,通過減少注膠范圍和增加保護結構,實現了性能良好的封裝方案,fbg反射譜和透射譜形狀均正常。

該文闡述了光纖光柵傳感器工作原理、使用特性及優(yōu)點,結合混凝土隧道的施工特點,提出了光纖光柵監(jiān)測方案和監(jiān)測系統(tǒng)設計及其在公路隧道安全監(jiān)測中的應用。

根據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構,對其傳感特性進行了實驗研究.實驗通過產生水的液位差來模擬地基沉降,分析結果顯示,光纖布喇格光柵中心反射波長漂移對液位差呈現良好的線性關系,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整,以滿足各種應用場合.綜合實驗結果,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.

介紹紫外光刻法制作微納光纖布喇格光柵(mf-bg)的制作工藝,測量并分析不同直徑的微納光纖布喇格光柵的反射譜。數據表明隨著微納光纖的直徑變小,光纖光柵的中心波長藍移且反射強度也隨之減小。仿真計算微納光纖的有效折射率和光纖纖芯的束縛能力(即基模分布在纖芯的能量與基模全部能量的比值),來解釋上述變化。

由于各種光噪聲的影響,基于可調諧法布里-珀羅(f-p)濾波器的光柵解調儀解調精度不夠高,光路噪聲通常會帶來10pm量級的波長測量誤差。為了提高布喇格波長檢測精度,采用了在解調過程中對光纖光柵反射譜進行高斯擬合,從而消減噪聲影響的方法。實驗發(fā)現,擬合后中心波長的測量誤差小于2.5pm,溫度測量值與實際溫度之間的標準方差為0.3℃。結果表明,在有害噪聲信號不是非常大的情況下,該方法能有效提高波長檢測精度。

為了實現對海水溫度監(jiān)測,設計了一套浮標式光纖布喇格光柵遠程測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)結合了fbg傳感技術和labview技術,以pc機、無線數傳模塊、工控機、解調儀等為主要硬件搭建。實現了傳感器的數據采集、處理、傳輸、顯示、存儲及浮標定位等功能。通過海試證實了系統(tǒng)的可行性及可靠性,同時該系統(tǒng)在實際應用中體現了便捷,快速的優(yōu)勢。

實驗研究了側向擠壓作用下的光纖布喇格光柵(fbg)產生的應力雙折射現象,提出了一種消除橫向應力對溫度交叉敏感的簡單而又有效的方法,從理論和實驗上進行了分析與驗證。研究表明,對fbg施加側向擠壓產生的雙折射導致普通光纖布喇格光柵存在兩個滿足布喇格條件的反射光譜,且雙峰間距在100℃的溫度范圍內變化了0.055nm,利用該雙峰間距的變化可消除溫度傳感中橫向應力對它的交叉敏感,實現對溫敏系數的修正及溫度的校正,實驗中測得的原始溫敏系數是0.0138nm/℃,對溫敏系數修正了0.005nm/℃,對變化的溫度校正了4℃。

由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺寸小、容量大、準分布式測量,并且可以實現遠距離長期監(jiān)測與傳輸的特點,其在結構健康安全監(jiān)測中得到日益廣泛應用。文中論述了在大型裝卸設備翻車機中引入結構健康安全監(jiān)測的必要性,概述了光纖光柵傳感技術的基本原理,并以翻車機為例,介紹結構健康安全監(jiān)測系統(tǒng)的應用及關鍵技術,包括溫度補償、基于有限元分析的測點分布、數據采集與處理和安全預報警。

設計了一種基于雙光纖布喇格光柵的新型液位傳感器,導出了雙光纖布喇格光柵的波長漂移差與液位的關系。圓盤上受到的液體壓力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喇格光柵的布喇格波長漂移。通過檢測兩個布喇格光柵的波長漂移差,得到被測液位。雙光纖布喇格光柵通過補償溫度效應,解決了光纖布喇格光柵傳感器的交叉敏感問題。該液位傳感器的動態(tài)測量范圍為2～3000mm。實驗表明,雙光纖布喇格光柵的中心波長隨液位的增加分別向長波和短波方向漂移,而帶寬幾乎不變,實驗和理論符合較好,該設計方案是切實可行的。

給出了光纖光柵各種制作方法間的相互關系框圖。用matlab數值仿真方法研究了光柵初始寫入參數對其峰值反射率和反射帶寬的影響規(guī)律。此外分析了波分復用系統(tǒng)中傳感光柵峰值反射率對其測量范圍的影響,以及通信系統(tǒng)中光柵濾波器的波長選擇問題。研究結果有助于指導光柵制作,并根據具體應用場合的需求選擇光柵參數。

目前,水利水電工程中的長隧洞越來越多,傳統(tǒng)的差動電阻式和振弦式等監(jiān)測儀器已很難滿足長隧洞監(jiān)測的需要。結合牛欄江-滇池補水工程,介紹了光纖光柵儀器在長隧洞監(jiān)測中的應用,結果表明光纖光柵儀器能滿足長隧洞監(jiān)測的需要。

針對傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測技術中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實現體內長期監(jiān)測等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監(jiān)測的實現原理及應用方式.基于fbg應力傳感原理,將不同中心波長的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進行載荷實驗,隨后將采集的布拉格波長換算成形變,實時顯示骨骼受載荷時的形變趨勢.實驗采用在多點粘貼f3g的方式,避免了溫度、應變交叉?zhèn)鞲械膯栴}.實驗表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長變化與該位置受力產生的彎曲形變具有明顯的線性對應關系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達39.00525pm/mm.實驗結果對發(fā)展微型、實時、集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

光纖傳輸系統(tǒng)本身有網絡管理、保護倒換功能,但不支持對光纖特性的監(jiān)測,當光纜出現故障時,無法確定故障位置而進行快速修復。常規(guī)的人工測量光纖傳輸網絡方式已不適應鐵路通信系統(tǒng)對光纖傳輸網絡性能分析和管理維護的要求。光纖在線自動監(jiān)測系統(tǒng)與常規(guī)監(jiān)測方式相比具有很大優(yōu)越性,它的應用將為線路的運行維護人員提供了一個自動化的維護與測試平臺,實現了光纖通訊維修體制從"故障修"到"狀態(tài)修"的轉變。

針對路基沉降變形監(jiān)測工程中存在的耗費大量人力，無法實時掌握路況信息的問題，研制開發(fā)了溫度不敏感型尤纖光柵沉降位移傳感器，其量程達到100mm，測量精度0．1mm。對兩個多月的現場試驗數據分析表明，光纖沉降位移傳感器實時反映了路基面的沉降狀況，尤其對降水等因素引起的路基面沉降速率的變化能夠及時準確的響應。

針對路基沉降變形監(jiān)測工程中存在的耗費大量人力,無法實時掌握路況信息的問題,研制開發(fā)了溫度不敏感型光纖光柵沉降位移傳感器,其量程達到100mm,測量精度0.1mm。對兩個多月的現場試驗數據分析表明,光纖沉降位移傳感器實時反映了路基面的沉降狀況,尤其對降水等因素引起的路基面沉降速率的變化能夠及時準確的響應。

光纖光柵技術在橋梁測試中的應用研究——光纖光柵技術是一種新型的橋梁測試技術。概述光纖光柵傳感器的基本原理、特點以及國內外研究應用情況；研究光纖光柵技術在拉索索力長期監(jiān)測中的應用，開發(fā)了長期穩(wěn)定性好、不受電磁場干擾、可實現分布式測量以及適宜遠距...

為了實現對整個艦艇結構狀態(tài)長期實時的監(jiān)控,構建了基于光纖布喇格光柵傳感器的監(jiān)控系統(tǒng),設計了系統(tǒng)總體硬件電路,給出了系統(tǒng)軟件工作流程和尋峰算法流程,并最終完成了對系統(tǒng)的功能驗證。經驗證,系統(tǒng)實現了多通道同步實時校準的波長解調功能,掃描頻率可達4khz,能夠快速響應監(jiān)控狀態(tài),可直接進行工程應用。

針對電類傳感器難以滿足橋梁結構長期監(jiān)測要求的問題,提出利用光纖光柵振動傳感器對橋梁的振動狀態(tài)進行監(jiān)測,并通過理論和實驗結果論證了方案的可行性。光纖光柵傳感器在滿足頻率測量范圍、溫度適應范圍等要求的同時,兼具抗電磁干擾、外形結構簡單、布設方便、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)勢,具有良好的工程應用前景。

光纖光柵傳感技術是國際上近十年發(fā)展起來的新型傳感技術,既用光纖感測信號又用光纖傳輸信號,是以光纖為載體的傳感技術的最杰出代表。目前該技術已經相對成熟,并成功地應用于多個相關行業(yè)。介紹了在光纖光柵技術平臺上研制出的傳感器的特點、工作原理及其在水利監(jiān)測中的應用,著重于光纖光柵傳感技術在水位遙測及大壩安全監(jiān)測上的應用。

詳細闡述光纖光柵傳感器的結構及布拉格光纖光柵傳感器的工作原理。重點介紹結構健康監(jiān)測系統(tǒng)構成、光纖光柵傳感器系統(tǒng)的信號處理、安裝等方面問題;展望光纖光柵傳感器在結構健康監(jiān)測領域中的前景。

光纖布喇格光柵(fbg)是國際上光纖傳感技術研究的前沿熱點。在惡劣環(huán)境下對復雜結構進行變形和健康監(jiān)測,具有波長編碼等明顯的其他傳感器所沒有的特點。將由光纖光柵組成的陣列埋入結構材料內部,可用來監(jiān)測橋梁、大壩、重要建筑物以及船體、航天器內部的溫度、應變、壓力及材料結構狀態(tài)的變化。該文介紹了采用掩模板制作光纖光柵傳感器的原理和方法,分析了采用相位掩模法制作的分布式光纖布喇格光柵傳感器的靈敏度等測量性能和噪聲的隨機過程特性,從而為其在船舶結構變形測量技術中的應用提供了科學依據。