光纤环保温腔体设计及其性能分析

为了改善光纤电流互感器温度性能,设计了引入保温腔体的光纤环传感头结构.在光纤环受温度扰动引起的热致相位差基础上,推导并建立了光纤电流互感器系统输出误差离散化数学模型,利用有限元分析软件分别建立了光纤环自身和光纤环配合保温腔体的有限元模型,仿真分析了在不同温度载荷下,保温腔体的热性能和采用设计的传感头光纤电流互感器的温度性能.仿真实验结果表明:所设计的保温腔体能有效控制光纤环中各匝光纤的温度变化范围,减缓光纤的温变速率,均化光纤环温度场;采用设计的传感头的光纤电流互感器系统输出误差范围明显减小,有效提高了系统测量精度.这对高精度的光纤电流互感器的制作和应用具有重要意义.     

基于线型腔掺铒光纤激光器的光纤光栅传感实验研究

提出了一种基于线型腔掺铒光纤激光器的光纤布拉格光栅传感解调系统,并进行了理论分析和实验验证。此传感系统具有稳定性好、信噪比高、结构简单等特点。实验结果表明:在常温下光纤光栅传感解调系统能很好的实现光纤光栅传感信号的传感和检测;15m掺铒光纤用作增益介质可以产生较大信噪比的稳定激光输出,系统在4nm范围内的解调精度为0.04nm。     

3D打印光纤压力传感器

根据光纤弯曲损耗效应,设计了光纤压力传感器,采用3D打印制作主体部件,与光纤、光纤法兰等整合为光纤压力传感器.该传感器具有可变受力、受力限位、可变灵敏度等功能.光时域反射方法测试结果表明:该传感器可应用于分布式光纤传感系统.     

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.     

基于布里渊光时域反射仪的边坡监测光纤传感器结构

分布式布里渊光纤传感技术在边坡监测领域中有极大的应用潜力。坡体局部产生的大应变往往会超过光纤的承受能力导致光纤断裂,并且由于系统空间分辨率的限制,难以获得一个准确的测量结果。为适应边坡监测,开发了用于分布式布里渊光纤传感的光纤传感结构,通过管子和滑轮构成具有保护作用的往返式结构,在短距离上增加了传感光纤的长度,不仅扩展了光缆对局部变形的耐受度,同时也提高了应变监测准确度。设计对比校准实验,验证了其在空间分辨率为1 m时的性能,并在人工浅层边坡上进行现场监测实验,验证了其对滑坡监测的有效性。此外,由于光缆在改良装置的保护下不与外界接触,光缆的存活率显著提高。     

便携式光纤电流互感器传感头设计

针对电解铝工业中大电流测量现场环境复杂的难题,在传统光纤电流互感器的基础上提出一种便携式光纤电流互感器.对设计安装过程中由于柔性传感头光路不闭合和导体偏心引起的法拉第相移误差进行分析和有限元仿真计算,结果表明:法拉第相移相对误差随传感头不闭合度角度线性增加,随导体到非闭合点的距离增大而减小,且增加传感头匝数能减小法拉第相移误差.由于便携式光纤电流互感器准确度随导体到非闭合点的距离增大而提高,设计了一种使传感头非闭合点向一端延伸且易拆装的结构,实验测试得到该便携式光纤电流互感器的全温准确度为0.86%,满足电解铝厂准确度1%的使用要求.     

一种高灵敏度复合环形腔结构的光纤激光拍频位移传感方案

提出并验证了一种高灵敏度复合环形腔结构的激光拍频位移传感技术方案.该方案采用环形腔复合直腔的谐振腔结构,利用激光拍频传感原理实现传感系统信号的解调.该结构通过掺饵光纤放大器提供增益,采用光纤布拉格光栅作为传感头兼直腔反射镜,利用π相移光栅进行窄带滤波.理论分析结果表明激光拍频频率随传感头应变的增加线性减小;实验结果显示,当监测频率为1.7483 GHz时,传感器的灵敏度达到了86.19 kHz/mm,线性拟合度为0.9973,最小可分辨位移为10μm左右,该系统同时具有空间位置分辨的潜力.结果表明所提出的新型位移传感方案是可行的,结构紧凑、简单实用、灵敏度高,为将来实现高精度、微型化以及分布式传感系统打下基础.     

U型光纤传感器液体浓度测量系统的研究

为了测量液体的浓度,设计制作了一个U型光纤传感系统.在固定光源波长以及恒温的条件下,激光光源发出的光信号在U型光纤传感区域发生全反射,并且得到被测液体参数的调制,通过测量光接收端电信号的大小,可以得到被测液体的浓度.整个实验装置结构简单,主要由激光光源、U型光纤传感探头和光接收器件组成.实验以食盐溶液和蔗糖溶液为测量对...     

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。     

纤芯失配熔接的高灵敏度光纤折射率传感器

提出并实验验证了一种基于马赫泽德干涉仪(MZI)的高灵敏度光纤折射率(RI)传感器。传感头由一段单模光纤(SMF)夹熔在两段较短的细芯光纤(TCF)中组成TCF SMF-TCF结构,其总长度为9 mm。由于光纤纤芯失配导致的纤芯模和包层模发生干涉,干涉谱对传感头外部折射率的响应极其敏感。使用该传感器检测具有不同折射率的甘油水溶液,实验结果显示:传感器干涉谱的共振波长随环境折射率的增大向长波方向漂移,其折射率灵敏度在1.33 RIU～1.38 RIU范围内约为159 nm/RIU。该传感器具有结构简单、易于制造、成本较低、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点,在生物化学与环境监测等领域具有较大的应用潜力。     

Detection and analysis of paraffin oil adulteration in coconut oil using fiber optic long period grating sensor

A fiber optic sensing system for the detection of adulteration of coconut oil by paraffin oil is experimentally demonstrated. The sensing mechanism is based on the sensitive dependence of the resonance peaks of a long period grating (LPG) on the changes of the refractive index of the environmental medium surrounding the cladding surface of the grating. The wavelength shift of the attenuation bands of the LPG was measured with the sensor immersed in a mixture of paraffin oil and pure coconut oil in different proportions. Detection limit of adulteration was found to be 3% for coconut oil-paraffin oil binary mixture.     

Ground vibrations detection with fiber optic sensor

In this paper, a fiber optic sensor based on fiber Bragg grating (FBG) is employed to measure the ground vibrations which may be generated by earthquakes, debris flows, landslides, and rock impacts on the ground. The detected vibration signals were analyzed by both fast Fourier transform (FFT) and Gabor transform to obtain the frequency response. The performance of fiber optic sensor was examined and compared with the conventional ground vibration geophone sensor. From the results of field tests, the fiber optic sensor shows highly similarity with conventional geophone sensor for low frequency measurement. The fiber optic vibration sensing system presented in this research is appropriate for sensing ground vibration in the frequency ranges of 10–250 Hz. The sensor proved to be an alternative option for ground vibrations monitoring system.     

Sensing system with Michelson-type fiber optical interferometer based on single FBG reflector

A sensing system,with Michelson-type fiber optical interferometer based on single fiber Bragg grating (FBG) as the reflector,is demonstrated.The system used a frequency-matched ring fiber optical laser as the source.The closed Michelson-type fiber optical interferometer system will be helpful in simplifying the developed interferometric sensor by replacing the double reflectors with only one FBG reflecting the doubleside light.The basic sensing properties of the system are demonstrated,with a fiber optic piezoelectric ceramic transducer embedded in the arm of the interferometer simulating the sensing signal.     

Simultaneous Measurement of Refractive Index and Temperature Using a Hybrid Fiber Bragg Grating/Long-Period Fiber Grating Configuration

Abstract

A fiber optic sensing system for simultaneous measurement of refractive index and temperature, based on a hybrid fiber Bragg grating/long-period grating arrangement is described. The experimental results show that this setup has a good performance in terms of linearity and sensitivity, the ratiometric output changes 4%/0.001 RIU and 3.6%/°C, respectively. The sensor resolution for the refractive index is ≈2 × 10^?5 RIU. The simultaneous measurement of the refractive index and temperature was demonstrated. The sensing configuration has the ability to be read-out in reflection and works in the telecommunications window.     

基于反射光谱特征辨识的光纤气压与温度集成监测方法

针对飞行器机载环境多参量综合测试需求,研究了一种基于反射光谱特征辨识的光纤布拉格光栅(FBG)气压与温度集成监测方法,给出了基于膜片式结构的双参量传感机理及其理论模型。采用基于耦合模理论的OptiGrating软件,得到不同气压与温度条件下光纤布拉格光栅传感器仿真反射光谱。在此基础上,借助弹塑性和恢复性能优良的平膜片感压机构,构建了膜片式双光纤气压/温度集成监测模型。研究表明,恒温条件下应变传感光纤光栅反射光谱随气压增加而逐渐向短波方向偏移,其中心波长灵敏度约为0.803 0 nm·MPa-1,且反射谱主峰及其旁瓣峰值均随气压变化呈现良好线性关系;当气压恒定而温度变化时,处于仅感温不受力状态的温度传感光纤光栅反射光谱中心波长灵敏度约为9.39 pm·℃-1;当气压与温度交叉变化时,能够实现对变温条件下的微小气压变化实时监测。传感光纤光栅受非均匀应变效应反射光谱存在一定啁啾现象,其反射光谱旁瓣峰值波长随环境温度、气压变化均会发生偏移,具有良好线性关系,且在不同气压下反射光谱对应的同一阶数旁瓣峰值幅度相等。该研究能够为航空航天器系统多物理参量在线综合测试提供有益帮助。     

基于光纤布拉格光栅传感器的光纤光栅智能夹层试验研究

传感元件与复合材料的一体化是智能结构研究的最终目标之一。设计一种具有自诊断功能的标准化、模块化光纤智能夹层系统,正是实现这种一体化最有潜力的技术途径。采用聚酰亚胺薄膜制作了基于光纤布拉格光栅（FBG）传感器的光纤光栅智能夹层,对智能夹层中光纤布拉格光栅传感器的应变、温度特性进行了标定试验,并建立了基于光纤布拉格光栅传感器光纤光栅智能夹层的应变、温度测量模型。试验表明,智能夹层内布拉格光栅波长偏移与应变、温度之间具有良好的线性关系。不过在温度测量时,必须考虑被埋人结构的热膨胀效应。利用光纤光栅智能夹层内光纤布拉格光栅传感器网络和先进信息处理技术,可以建立结构损伤主动、在线和实时监测系统。     

基于光时域反射计的全分布式光纤漏油传感器

报道了一种基于光时域反射计的全分布式光纤漏油传感器,该传感器能实现分布式实时监测长输油管道,及时发现小型的漏油事件.传感器沿管道铺设,利用光时域反射计实时测量光纤在长度上的损耗变化特点,及时发现并定位管道上的每一处泄漏事件.模拟实验证明了其实际操作的可行性,长期使用的稳定性和各种抗干扰性,能在15 min内发现并定位漏油事件,且定位准确度为3 m.     

强度解调型光纤光栅温度传感实验

光纤光栅在工程上应用广泛,但由于存在解调系统复杂、成本高,尤其是需要使用光纤光谱仪等波长解调仪器,使得光纤光栅很难走入本科教学的实验课堂.本文提出了一种基于窄线宽DFB激光器的强度解调方案,极大地简化了光纤光栅传感器的解调系统,完全满足较高分辨率和实时检测的系统要求.合理安排的温度传感实验可以非常直观地展示光纤光栅的线性传感性能,使得工程化的光纤光栅传感技术轻松走进本科教学课堂,具有极高的推广和应用潜力.     

Self-calibration in a fiber optic sensing system using the walk-off compensation

We firstly present a concept of a self-calibration of the classical and quantum parameters’ measurement using a fiber optic system. The measurement of the change in phase of the optimum entangled states’ visibility is performed in terms of a walk-off length, i.e. birefringence. The applied physical parameters on the sensing fiber can be simultaneously measured and the self-calibration respecting the birefringence performed. The scheme of the entangled photons generation in fiber optic is reviewed and the walk-off on the polarization entangled states presented. The potential of self-calibration and simultaneous measurement using an interferometric sensing technique and fiber grating sensor are proposed and discussed. The walk-off on the entangled states in the thermal-controlled environment is presented and discussed.     

面向地壳形变观测的超高分辨率光纤应变传感系统

高分辨率光纤应变传感系统是地球物理学中地壳微弱形变观测的有力工具.相比于传统的地壳应变观测技术,光纤应变传感器具有测量分辨率高、抗干扰能力强、尺寸小、可复用、易于安装布设等特性,在建立新型地壳形变监测网络中具有很大的应用潜力.本文围绕面向地壳形变观测的纳应变级分辨率光纤应变传感器技术,阐述了应变传感原理与实现超高测量分辨率的机理,并详细介绍了扫频探测、Pound-Drever-Hall解调技术、边带探测、双回路锁定传感、传感器时分复用等技术及相应的传感器系统实现方案,最后,给出了超高分辨率光纤传感器在现场观测的实验结果与分析.