评估环圈光纤机械可靠性的模型

为评估应用于光纤陀螺和光纤电流传感器等传感领域的光纤环圈的机械可靠性,排除光纤涂覆和环圈灌胶等因素,必须评估所用光纤在弯曲状态下的机械可靠性.在已被广泛接受的均匀拉伸应力状态下通信光纤的机械可靠性模型基础上,根据这种环圈光纤在弯曲状态下的一般应力分布,对于绕环张力和弯曲应力同时存在的情形,建立了评估这种环圈光纤的机械可靠性的一种模型.该模型通过采用弯曲状态下光纤表面的最大弯曲应力值,和由于一般情况下弯曲中轴内侧的压缩应力远小于外侧拉伸应力的这一事实而忽略内侧的压缩应力,从而简化了弯曲应力的不均匀分布;同时通过该模型中所含的多个参量的选择给出了最为保守的结果.利用该模型进行的数值计算预测了采用不同直径的光纤分别绕制的不同环圈直径的环圈光纤在不同服役条件下的机械可靠性.结果表明,除了光纤半径和疲劳因子等这些光纤自身的固有因素外,绕环张力、环圈半径和筛选张力等工艺参量对环圈光纤的机械可靠性也是有重要影响.     

评估环圈光纤机械可靠性的模型

为评估应用于光纤陀螺和光纤电流传感器等传感领域的光纤环圈的机械可靠性,排除光纤涂覆和环圈灌胶等因素,必须评估所用光纤在弯曲状态下的机械可靠性.在已被广泛接受的均匀拉伸应力状态下通信光纤的机械可靠性模型基础上,根据这种环圈光纤在弯曲状态下的一般应力分布,对于绕环张力和弯曲应力同时存在的情形,建立了评估这种环圈光纤的机械可靠性的一种模型.该模型通过采用弯曲状态下光纤表面的最大弯曲应力值,和由于一般情况下弯曲中轴内侧的压缩应力远小于外侧拉伸应力的这一事实而忽略内侧的压缩应力,从而简化了弯曲应力的不均匀分布;同时通过该模型中所含的多个参量的选择给出了最为保守的结果.利用该模型进行的数值计算预测了采用不同直径的光纤分别绕制的不同环圈直径的环圈光纤在不同服役条件下的机械可靠性.结果表明,除了光纤半径和疲劳因子等这些光纤自身的固有因素外,绕环张力、环圈半径和筛选张力等工艺参量对环圈光纤的机械可靠性也是有重要影响.     

微纳光纤涡旋倏逝场中米氏粒子的受力

本文用射线光学的方法计算了球形微粒在微纳光纤涡旋倏逝场中的受力,并研究了微粒与微纳光纤表面之间的距离、微粒半径和微纳光纤半径对微粒受力的影响。微粒在梯度力的作用下被捕获到微纳光纤表面,同时在散射力的作用下沿微纳光纤中光束传播的方向绕光纤螺旋状运动。离光纤表面距离越远,微粒受到的光辐射压力越小。当微纳光纤半径不变时,微粒的径向捕获效率、沿光轴的传输和绕光纤的转动可分别通过微粒的半径来优化;而当微粒半径不变时,可分别通过微纳光纤半径来优化。     

FBG应变传感器应力疲劳极限传感寿命评估方法

光纤光栅应变传感器在应力疲劳作用下不可避免地出现性能衰退,为了评估其极限传感寿命,从光纤光栅传感原理出发,理论推导了应力疲劳作用引起的满度相对误差表达式,以工业仪表精确度等级作为传感器的极限状态阈值,提出了基于等强度梁的极限传感寿命测试方法.利用该方法评估了高桩码头结构健康监测应用环境中光纤光栅应变传感器的极限传感寿命,以满度相对误差变化4%作为极限失效阈值,对4支传感器进行了1.32亿应力疲劳实验.当疲劳至1.32亿次时,2支传感器达到极限传感寿命,1支传感器接近极限传感寿命,即极限传感寿命约为1.32亿次.实验结果表明,提出的方法能有效地测试不同结构健康监测需求下,光纤光栅应变传感器的应力疲劳极限传感寿命.     

光纤陀螺光纤环的热应力分布仿真分析方法

针对光纤线圈较容易受温度影响的问题,从热至应力的角度,推导了由热应力导致的光纤陀螺的相位差离散数学公式,并在此基础上,对四级对称绕法绕制的无骨架光纤环建立了有限元模型。结合光纤陀螺工作环境的栽荷和边界条件对其不同温度下的热应力分布进行仿真分析。仿真分析结果表明,光纤环内侧受到的热应力较大,高低温下热应力值分别达到最大和...     

雨滴碰击光缆后光纤应变相位调制分析

基于云动力学理论,分析了雨滴碰击光缆后径向应变导致光纤纤芯折射率及形状发生改变,使光纤内传输光相位受到调制的过程.建立了雨滴碰击光缆引起光纤内传输光相位调制的模型,获得了降雨强度与相位调制之间的关系.研制了雨滴碰击光缆相位调制实验室验证系统,对比了模拟降雨强度分别为3,5,7,10,15,18,22,30 mm/h时的实验测试与仿真结果,两者变化趋势一致,误差在9%以内.该模型可用于仿真获得不同降雨强度下雨滴碰击光缆引起的光相位调制,为进一步研究降雨对光纤振动传感系统性能的影响,优化光纤振动传感工程应用系统,提出可行的雨量补偿方案提供了理论参考.     

光纤布喇格光栅器件应力疲劳评价理论研究

光纤布喇格光栅器件应力疲劳特性严重影响着光纤光栅应变传感器的长期可靠性,为了评估光纤光栅器件的应力疲劳特性,分析了光纤光栅应变传感器的封装结构对疲劳评价的影响,并以表面直接粘接的简化模型评估了光纤光栅器件的应力疲劳特性.从简化模型的基本力学与光学特性出发,提出以光谱特性的边模抑制比和带宽作为评价光纤光栅器件疲劳的指标体系,以传感特性的灵敏度、线性度和应变传递效率作为评价粘接层疲劳的指标体系.设计了基于等强度梁的光纤光栅器件加速疲劳实验,疲劳的应力幅度为500微应变,频率为18赫兹;1000万次疲劳实验后,三支光纤光栅的带宽平均增加2.07%,平均应变传递效率和平均灵敏度分别下降4.5%和3.9%,实验结果说明提出的指标体系能有效地区分粘接层和光纤光栅的疲劳,从而验证了该评价理论的可行性.     

基于分布式光纤Bragg光栅传感技术的光缆卷盘静态压力研究

基于对光缆卷盘缆层静态压力分布的理论分析, 建立了光缆缠绕体系中的受力理论模型. 研究表明, 随着缠绕层数的增加, 卷盘各层光缆所受压强先快速增大而后变化平缓. 采用分布式光纤Bragg光栅(FBG)对光缆绕线装置上缆层的静态压力进行了实时传感, 理论上给出了FBG的中心波长偏移量与体系压强的定量关系, 实验上发现各层FBG的中心波长随着光缆卷盘缠绕层数的增加先较快速变化而后趋于平缓, 理论模拟和实验测量结果符合得很好. 该技术解决了光缆绕线过程中无法对缆层所受压力进行实时监测的难题.     

动态匹配光栅解调方法波长读出优化研究

提出了采用一支价格低廉的微测力传感器作为匹配光栅解调系统的波长读出单元,不同于以往动态匹配光栅解调法采用拉伸匹配光栅的PZT驱动电压作为解调系统波长读出单元.当匹配光栅和传感光栅布喇格中心波长重叠时,光电探测器将接收到最大光信号.利用光纤光栅轴向受力和反射波长漂移的数学关系得到光纤光栅传感器的波长漂移.该解调系统解决了传统动态匹配解调系统中PZT本身特性对系统的影响,探测到的光纤光栅传感器反射波长和匹配光栅轴向受力大小具有很好的线性,系统线性大于0.999.本系统对于探测布喇格传感器应变分辩率达到1 με以下.     

同时测量荧光光纤温度和应变的实验研究

利用掺杂铒元素荧光光纤的试验样品实验测试了荧光寿命的温度特性，并得到荧光寿命在不同温度下的应变响应关系.试验表明，荧光寿命会随着温度的升高而降低；与温度相比荧光寿命随应变的变化很小.提出了一个潜在的同时测量应变和温度的传感器模型.     

光纤端面的质量与光纤光学性能的关系

光纤的透过性能是光纤传输的重要特性之一。影响光纤透过性能的因素除了纤芯、包层玻璃的质量和几何缺陷以外,还与光纤端面的质量有关。在光纤的加工过程中,光纤端面的平整度、磨料的使用等都会影响端面的质量。讨论了影响光纤透过性能的因素;光纤端面的反射损失对透光性能的影响;增透膜对光纤端面反射的控制;加工后光纤端面的几何形状对透过性能的影响;加工后纤维端面折射率的变化情况;抛光液酸碱性的控制;抛光后光纤端面的处理。通过对光纤端面进行加工过程的控制和对光纤端面进行涂层的处理可改善光纤的透光性能。     

Static fatigue lifetime of optical fibers in bending

An experimental program aimed at defining the effects of applied stress, temperature, humidity, and buffer coating on the static fatigue behavior of optical fibers in bending configurations is in progress. Data are presented below which demonstrate that the static fatigue behavior of fiber is strongly dependent on the polymeric buffer coating. Furthermore, the effect of humidity is readily evident by the comparison of times to failure at 30% RH and in water immersion. The ultimate objective of this research is to determine an allowable bend radius for fiber optic cable which is based on measurements of both static fatigue and strength in bending and which will assure reliable performance of the fiber over the design lifetime.     

大尺寸聚合物光纤面板制造新技术的初步研究

利用堆积-热融合工艺,将商用聚甲基丙烯酸甲酯低损耗光纤以六方堆积的方式排列在自行设计的模具中,制备光学聚合物光纤面板预制棒后,对预制棒进行切割、拼接,研究了一种制备超大尺寸光纤面板的新技术.拼接面板样品的厚度2 mm,像素直径500 μm,总像素数 59052, 对大尺寸人或物的像具有很好的传递能力. 利用该技术制备的大尺寸拼接光纤面板,对于液晶拼接屏中拼接缝的清除以及大屏幕的保护具有不可替代的作用.     

Static fatigue lifetime of optical fibers in bending

An experimental program aimed at defining the effects of applied stress, temperature, humidity, and buffer coating on the static fatigue behavior of optical fibers in bending configurations is in progress. Data are presented below which demonstrate that the static fatigue behavior of fiber is strongly dependent on the polymeric buffer coating. Furthermore, the effect of humidity is readily evident by the comparison of times to failure at 30% RH and in water immersion. The ultimate objective of this research is to determine an allowable bend radius for fiber optic cable which is based on measurements of both static fatigue and strength in bending and which will assure reliable performance of the fiber over the design lifetime.     

双圈同轴光纤传感器在润滑油介质中的输出特性

针对双圈同轴式光纤(TCCOF)位移传感器用于滑动轴承油膜厚度检测时,由于传播介质为润滑油,传感器输出特性会受到影响,本文根据折射定律分析了传播介质对光纤最大入射角的影响,考虑传播过程中的光损并利用光场的准高斯分布规律建立了润滑油环境下的传感器数学模型,同时通过仿真计算得到了传播介质不同时的传感器输出特性。在此基础上,搭建了相应的传感器标定实验平台进行验证。结果表明:空气中TCCOF传感器的灵敏度为0.691/mm,润滑油中TCCOF传感器的灵敏度为0.464/mm;TCCOF传感器在润滑油测量环境中可减小光功率不同对传感器特性的影响;TCCOF传感器灵敏度随着反射面曲率半径的增大而增大;由于具有对称结构,当反射面为圆柱面时,TCCOF传感器可减小探头周向安装角度对其输出特性的影响。因此,在利用TCCOF传感器进行油膜厚度检测时,必须在相应润滑油环境下及相应的反射面情况下进行传感器标定。     

埋入式F-P光纤应变传感器在混凝土桥梁健康监测中的应用研究

对基于白光干涉的埋入式F_P光纤应变传感器的测试原理及主要结构参数进行了分析,介绍了该埋入式传感器的研制工艺特点。通过对传感器的性能考核试验,验证了该传感器具有优良的精度稳定性和耐久性,通过秦沈客运专线辽河特大桥施工过程监测试验,验证了该传感器满足桥梁施工现场复杂状况下混凝土结构应变监测的要求。由于该传感器的成本不及同类型进口产品的1/5,具有广阔的普及应用前景。     

分立式与分布式光纤传感关键技术研究进展

光纤传感技术已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域,其技术形式主要体现为分立式和分布式.分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测参量的变化,光纤作为光信号的传输通道连接光纤传感器及后端的解调装置;分布式光纤传感系统基于光纤瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射等光学效应,利用光纤本身作为传感器,可对沿途的光信号进行大范围、长距离传感.本文介绍了分立式与分布式光纤传感中主要关键技术的研究进展,并对未来的研究和发展方向进行了探讨.     

用于物体三维测量的光纤投影器的设计与数值模拟

新的光学三维传感和计量方法不断涌现,在这些测量方法中,结构光投影器的设计至关重要。将光纤引入其中,设计了多光纤空间编码面结构投影器,利用多光纤干涉可以在空间形成条形、方形、六角形等多种干涉图样,从而构成了多功能光纤干涉图像投影器,并对各种空间编码结构的投影图像给出了计算机仿真结果。讨论了投影器的空间编码结构参数对测量范围和测量精度的影响,以及与编码器结构相适应的测量方法。该研究对多光纤干涉图像投影器的设计制作与实际应用具有一定的参考意义。     

光纤混沌相位编码保密通信系统理论研究

通过耦合激光混沌相位控制同步系统和光纤信道，提出外部光注入半导体激光器激光混沌相 位控制光纤同步以及混沌相位相移键控外调制光纤保密通信系统理论模型，数值实现了在相 位控制器控制下的远程光纤混沌同步.理论分析了光纤自相位调制对混沌信号以及对同步的 影响，导出了光纤混沌最大传输距离公式.通过连续键控调制相位控制器实现了光纤激光混 沌相位相移键控编码调制发射，设置接收系统相位控制器控制激光相位相移实现了光纤激光 混沌同步解调.数值模拟了具有比特率50Mbit/s远程光纤混沌数字编码通信系统的应用，详 细地进行了在远距离光纤传输中的系统参数失配以及系统抗噪声能力的数值分析. 关键词： 混沌 同步 光纤混沌通信 半导体激光器 相位     

Raman spectroscopy measurement of levofloxacin lactate in blood using an optical fiber nano‐probe

Liquid chromatography and mass spectrometry were time‐consuming and expensive as the main methods for the drug analysis at present, and the samples must be pretreated. The Raman spectroscopy measurement methods were fast and simple, so the Raman spectroscopy methods for the drug analysis were explored in this paper. An optical fiber nano‐probe coated with gold nanoparticles was fabricated and used with surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS) to measure levofloxacin lactate. The resulting SERS spectra of levofloxacin lactate in mouse blood that was detected by the optical fiber nano‐probe clearly showed the characteristic wave numbers of levofloxacin lactate, indicating that optical fiber nano‐probes can be used with spectral techniques to analyze drugs in vitro or potentially even in vivo. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.