岩层变形检测的光纤光栅多点传感理论与工程应用

为了监测松散地层沉降变形,提出了一种用于钻孔中植入式光纤Bragg光栅传感器(FBG)的结构和传感网络系统.基于室内实验结果,给出了用于岩层变形检测的传感光栅波长带宽为6 nm,分析了多点传感信号分辨因子,山光源带宽决定的测试系统最大实际复用能力为6个传感器.设计并实现了一个由18个光纤光栅组成的具有特色的光纤Bragg光栅波分复用/空分复用混合阵列.工程实践表明,光纤光栅传感系统采用双同路布置.可提高系统下放后光纤光栅传感器的成活率.     

调频连续波分布式光纤布拉格光栅复用系统

研究了利用调频连续波(FMCW)技术对分布式光纤布拉格光栅(FBG)复用系统进行寻址的基本原理;仿真分析了FBG传感器复用距离是系统最小分辨距离的整数倍或非整数倍时,对频谱信号的影响;搭建了基于FMCW的FBG复用系统实验平台,当传感距离1000m时,分别验证了不同扫描周期与复用系统差频信号的线性关系,及不同扫频范围与系统差频信号的线性关系。实验结果表明:FBG复用距离是系统最小分辨距离整数倍时,在测量距离1100 m范围内,系统测量最大误差为243 Hz,最大相对误差小于5%,可以实现FBG传感器的地址查询功能。     

结合波分复用和空分复用的光纤光栅串口总线式检测系统

结合波分复用和空分复用技术,可增加光纤Bragg光栅(FBG)传感波长的解调数目。开发了FBG传感器检测仪与计算机系统之间的光纤Bragg光栅传感检测系统。该系统通过串口总线分别与光开关和解调仪通信,实现了传感光谱的实时描绘和16通道的FBG传感中心波长的动态更新。测试结果表明,系统工作波长范围为1527~1566nm,中心波长分辨率为1pm,一次采集光栅波长信息时间为620ms。     

结合FBG-FP的变压器局部放电光纤全方向传感研究

为实现变压器局部放电的灵敏检测,避免漏检局部放电信号,基于光纤布拉格光栅(FBG)与法布里珀罗腔(Fabry-Perot cavity)传感原理提出了一种结合FBG-FP的变压器油中局部放电光纤全方向传感方法。介绍了FBG与FP腔的局部放电传感原理,局部放电产生的超声波会引起FBG反射光谱与FP腔干涉光谱的偏移,通过光谱边缘解调法进行光强解调可实现局放信号的检测。研制了局部放电光纤全方向传感器,通过3D打印技术制作了尺寸为25 mm×25 mm×25mm的长方体探头,探头中空结构用于插入单模光纤形成FP腔,四个侧面用于形成膜片式FBG传感结构,可接收不同方向的超声信号。基于变压器油中局部放电的频谱特性与液相环境中膜片的振动模型设计了超声传感膜片,选用镀有高反介质膜的康宁玻璃作为FP腔传感膜片,膜片半径为1.7 mm,厚度为0.165 mm,理论谐振频率为82 kHz;选用单晶硅作为FBG传感膜片,膜片半径为2.5 mm,厚度为0.1 mm,理论谐振频率为25.6 kHz。搭建了光纤局部放电传感系统并进行了局部放电光纤全方向传感器性能测试。通过断铅实验测得变压器油中传感器FBG传感膜片实...     

基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术

准分布式光纤传感系统在土木工程、能源勘测、航空航天、国防、化工等领域一直发挥着不可替代的重要作用。以微波光子学为基础的准分布式光纤传感解调技术被广泛应用于光纤复用系统的快速、高精度的信号解调与传感器定位。与传统的光学波长解调方案相比,该技术大幅提高了系统的解调速率,弥补了传统解调方法在传感器定位方面的缺陷。本文主要介绍了近年来国内外在基于微波光子学的准分布式光纤传感解调领域的研究进展,从光纤光栅准分布式传感系统和光纤法布里-珀罗准分布式传感系统两方面入手,对比分析了现有的数种微波解调光纤准分布式系统的优缺点,并对基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术的未来发展方向进行了总结与展望。     

光纤光栅多参数桥梁结构监测系统的研究

从土木工程应用的实际情况出发,利用光纤光栅传感器具有波长绝对编码和易于复用的特点,提出工程化同时测量温度、应变和压力的全光栅型低成本分布式传感方案。设计了基于连续波调频技术的光纤光栅多参量桥梁结构监测系统,将光频域反射复用与波分复用技术相结合,实现分布式光栅传感网络的寻址,提高了系统复用容量。实验表明：所设计的传感系统能够准确监测结构重要部位的内部应变及车流量等参数,为桥梁结构的静、动载测试提供了准确的数据,同时也为桥梁的工作状态评估和健康诊断提供了依据。     

分布式大容量光纤光栅传感网络的组网技术

基于光纤光栅复用传感原理,结合F-P可调谐滤波技术,采用波分复用与空分复用相结合的方法构建光纤光栅复用传感网络,并对传感网络中的电源、可调谐滤波器、光电探测器、光开关及传感光纤光栅阵列的组成等进行分析和选择,提出了结构优化的分布式、大容量光纤光栅传感网络的组网方案。通过在光路中使用F-P标准具和参考光栅对波长值进行标定和校准,提高了传感系统的测量精度,为构建大容量、高精度、实时性强的光纤光栅传感系统提供了设计参考。分布式大容量光纤光栅传感网络在多点、多参量和大空间范围传感测量领域具有广阔的应用前景。     

基于光放大的光纤Fizeau应变传感器频分复用系统

提出了一种可频分复用基于光放大的光纤Fizeau应变传感器的方法，从原理上解决了现有光纤Fabry-Perot传感器固有的两大弱点：信号弱和复用难.利用掺铒光纤的放大作用，既形成宽带光源，又放大了微弱的信号.描述了该应变传感器系统的结构、原理及实验结果.实验表明该复用传感器应变测量精度可达±10με，可满足实际应用的要求. 关键词： 光纤传感器 光纤应变传感器 掺铒光纤 复用     

双边缘均值光纤Bragg光栅波长解调技术

光纤Bragg光栅（FBG）传感器是一种波长调制型传感器，波长解调技术是FBG传感系统的关键，通常是对FBG反射谱进行波形采样，得到反射谱的峰值信号，以此作为FBG中心波长的特征值。这种方法需要实时采集大量数据，所以影响解调速度。通过对FBG反射谱的分析，得出FBG反射谱具有很好的对称性。在此基础上提出了采用反射波双边缘均值的方法测算中心波长。实验证明，采用这种方法进行波长解调，可以使FBG信号处理简单、动、静态波长时测算精度高，可以极大地提高解调系统处理FBG传感信号的速度。     

基于混沌光纤激光的准分布式布拉格传感网络

提出了一种基于混沌光纤激光器的准分布式布拉格光纤光栅传感系统,将波长可调谐的混沌光纤激光器作为传感光源,全同弱反射布拉格光纤光栅作为传感元件。利用混沌光源具有delta函数的自相关特性,将混沌源的参考光信号与从全同弱反射布拉格光纤光栅反射的光信号经光电探测器进行光电转换,结合相关法对参考光和反射光进行相关运算,根据相关峰的位置对传感器位置进行精确定位。利用混沌激光的可调谐性实现因应力作用而发生变化的全同弱反射光纤光栅的中心波长的解调,从而实现准分布式的传感网络。实验结果表明利用混沌激光可在单路光纤上复用全同弱反射光纤光栅实现传感,并有望实现密集型全同弱反射光纤光栅传感网络。     

基于时分复用和窄波长扫描激光的长距离光纤布喇格光栅传感系统

提出了一种通过提高长距离光纤布喇格光栅传感系统容量,从而实现多传感点参量测量的新方法.采用时分复用、窄波长范围扫描激光方式,将多个中心波长相近的低反射率光纤布喇格光栅放置于系统的不同位置,构成准分布式光纤传感系统,实现了多个传感点参量的同时测量.同时提出了采用掺铒光纤和喇曼混合放大方法来延长传感距离.在系统的中间加入一个喇曼泵浦进行喇曼放大以此补偿光纤布喇格光栅反射的信号,系统末端的掺铒光纤利用前面喇曼泵浦剩余的泵浦功率产生自发辐射光并放大传感信号,使得整个系统的传感距离延长.实验证实：将三只中心波长均在1 580 nm附近,反射率均小于4%的光纤布喇格光栅,分别放置在系统的不同位置,在200 km处获得了15 dB的信噪比,反射信号明显|并且在200 km处的静态应变和温度实验中,线性度均达到了0.999以上.     

基于副载波调频技术的光纤光栅传感网络查询

分析了副载波调频技术用于光纤光栅阵列查询的基本原理。从理论上推算了系统的查询空间分辨率及查询范围,并结合波分复用技术进行了光纤光栅传感网络的地址查询演示实验,同时使用可调谐滤波器对每个光栅信号进行了解调。实验结果很好地说明了该查询方案的可行性,且在单个光栅上的被测应变与可调谐滤波器的控制电压呈较好的线性关系。该系统具备有查询由几百个FBG组成的传感网络的潜在能力。     

Long-distance fiber Bragg grating sensor system with a high optical signal-to-noise ratio based on a tunable fiber ring laser configuration

A novel tunable fiber ring laser configuration with a combination of bidirectional Raman amplification and dual erbium-doped fiber (EDF) amplification is proposed for realizing high optical signal-to-noise ratio (SNR), long-distance, quasi-distributed fiber Bragg grating (FBG) sensing systems with large capacities and low cost. The hybrid Raman-EDF amplification configuration arranged in the ring laser can enhance the optical SNR of FBG sensor signals significantly owing to the good combination of the high gain of the erbium-doped fiber amplifier (EDFA) and the low noise of the Raman amplification. Such a sensing system can support a large number of FBG sensors because of the use of a tunable fiber Fabry-Perot filter located within the ring laser and spatial division multiplexing for expansion of sensor channels. Experimental results show that an excellent optical SNR of approximately 60 dB has been achieved for a 50 km transmission distance with a low Raman pump power of approximately 170 mW at a wavelength of 1455 nm and a low EDFA pump power of approximately 40 mW at a wavelength of 980 nm, which is the highest optical SNR achieved so far for a 50 km long FBG sensor system, to our knowledge.     

Design of multiplexed fiber optic chemical sensing system using clad-removable optical fibers

To prevent possible threats to public safety and economic loss from chemical leakage accidents, novel chemical sensing techniques for regular monitoring and leakage detection have been developed for various fields. We propose a fiber optic liquid chemical sensor (FOCS) system using specialty optical fibers and an optical time domain reflectometer (OTDR), and is based on the leaky wave mode sensing principle. OTDR enables simple multiplexing where individual sensor nodes along the fiber length could be interrogated by a common OTDR. The sensor node in the optical fiber is prepared by removing the desired length of a protective layer using mechanical stripping and chemical etching techniques. A novel laser stripping technique with superior capability to fabricate quasi-distributed dense sensor nodes is devised as well. The FOCS system is further analyzed to characterize the sensor response behavior in relation to the sensor node length and possible environmental and chemical temperature effect. Under the condition satisfying the leaky wave mode principle and within the minimum acceptable refractive index (RI) range by the system, this FOCS system could monitor numerous liquid chemicals with variable refractive indices and has been tested with positive results. In addition, the system shows the possibility for multi-point detection and is further expanded into a hybrid technique capable of estimating the refractive index range of the detected chemical.     

基于啁啾光纤光栅的粮仓测温网络研究

为了解决传统光纤光栅测温系统中单根光纤上带光纤光栅探头数量少、回波光强弱以及复用能力差的问题,设计研究了基于啁啾光纤光栅的测温系统。通过啁啾调制技术提高了回波光的带宽,从而增强了信号的可处理性并大大提高了带探测点位的数量。推导了啁啾调制的光栅周期表达式,给出了调制方法及波长范围。实验采用LPT-102型宽带光源与F-P光纤解调仪等,调制带宽为1 535.0～1 555.0 nm,并结合WR-201型温度传感器作标定。对20～60 ℃范围内每1 ℃改变进行测试,实验结果显示,传统光纤光栅探头与啁啾光纤光栅探头的测试温度误差相近,都符合设计要求。相比而言,啁啾FBG的测试数据对应的波长偏移具有较为明显的单调线性的特征,即数据稳定性更高,同时,采用啁啾FBG的系统带光纤光栅探头数量明显优于传统光纤光栅测温系统。由此可知,本系统在不增加光纤个数及不降低温度测试精度的基础上,实现了大幅提高带探测点位数量的设计要求。     

铝槽封装光纤光栅传感器的增敏特性研究

提出了一种光纤布喇格光栅的铝槽封装工艺,并对铝槽封装光纤光栅传感器的应变与温度传感特性进行了实验研究和理论分析.与裸光纤光栅的测试结果比较表明,铝槽封装工艺基本不改变光纤光栅应变传感的灵敏性,但是温度灵敏度系数提高了3.5倍.经过该工艺封装的光纤光栅可以探测识别0.2 με的应变与0.02℃的温度变化.     

光纤光栅多传感器复用的成象光谱技术

本文根据光纤光栅多传感器复用时信号的光谱特征,提出了采用成象光谱技术对复用信号进行解调的方案.文章推导分析了该复用方案的有关参量及特性,并进行了验证实验,获得了与计算结果吻合的实验结果.