基于双向拉曼放大的相位敏感光时域反射仪

报道了一种基于双向拉曼放大延长相位敏感光时域反射仪分布式光纤传感系统传感距离的方法.利用双向拉曼抽运对信号光进行拉曼放大, 补偿了光纤传输损耗.实验表明, 该方法提高了整个传感光纤上信号光的分布均匀性, 实现了74 km的超长传感距离和20 m的空间分辨率, 同时, 试验了不同信号光入纤功率和抽运功率对基于双向拉曼放大的相位敏感光时域反射仪系统的影响. 关键词： 相位敏感光时域反射仪 分布式光纤传感 拉曼放大     

基于环结构的新型分布式光纤振动传感系统

提出并验证了一种新颖的基于环形马赫-泽德干涉仪结构的全分布式光纤振动传感系统.采用直流光实时动态定位技术，通过在干涉仪光路中引入环结构，将直线型干涉仪转化为环型回路，使得一个马赫-泽德干涉仪中相向传输两路光波，相当于构成双马赫-泽德干涉仪.当振动信号作用于传感光纤时，相向传输的两路直流光同时产生相同的相位信号并沿不同的路径传输至光接收单元，采用数字信号处理技术分析接收信号即可实时获得振动的空间位置和频率、幅度等特性参数.实验中成功实现了监测距离为1.01km的分布式振动传感，单点振动的空间分辨率小于40m.另外，从理论上分析并模拟了系统对多点同时振动进行检测和定位的可行性.     

长距离分布式光纤传感技术研究进展

分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分,具有以下突出优势:无需在光纤上制作传感器,传感光纤集传感与传输于一体,可实现远距离、大范围的传感与组网;可连续感知光纤传输路径上每一点的温度、应变、振动等物理参量的空间分布和变化信息,单根光纤上能获得多达数万点的传感信息.由于在长距离连续传感方面具有不可替代的优势,分布式光纤传感技术在周界安防、石油电力、大型结构等领域的安全监控方面具有非常广阔的应用前景.本文主要介绍电子科技大学光纤传感与器件研究团队在长距离分布式光纤静(布里渊光时域分析仪)、动(相位敏感型光时域反射仪)态参量传感技术取得的研究进展,包括基础与应用研究两个方面.     

基于旋涡发生体的光纤Bragg光栅流量计的研究

结合光纤光栅传感检测技术与旋涡分离原理,研制了一种基于三角柱型旋涡发生体的光纤Bragg光栅流量计,在三角柱旋涡发生体中部设置导压腔,腔内设置粘贴Bragg光栅的等强度悬臂梁,流体经过发生体两侧时,交替分离旋涡,导压腔内部产生脉动流体,等强度悬臂梁产生振动且振动频率与旋涡分离频率成正比,通过检测悬臂梁振动频率测量流体流量。实验表明,该流量计的线性度为4.38%FS,仪表系数为K=3.659,光纤光栅波长移位频率对流量的响应度为1.182Hz/(m3/h)。     

基于旋涡发生体的光纤Bragg光栅流量计的研究

结合光纤光栅传感检测技术与旋涡分离原理,研制了一种基于三角柱型旋涡发生体的光纤Bragg光栅流量计,在三角柱旋涡发生体中部设置导压腔,腔内设置粘贴Bragg光栅的等强度悬臂梁,流体经过发生体两侧时,交替分离旋涡,导压腔内部产生脉动流体,等强度悬臂梁产生振动且振动频率与旋涡分离频率成正比,通过检测悬臂梁振动频率测量流体流量。实验表明,该流量计的线性度为4.38%FS,仪表系数为K=3.659,光纤光栅波长移位频率对流量的响应度为1.182Hz/(m3/h)。     

基于酒精与磁流体填充的单模-空芯-单模光纤结构温度磁场双参数传感器

提出了一种基于空芯光纤模间干涉原理的环境温度和磁场双参数传感器,为了使光入射进空芯光纤壁中,将空芯光纤与单模光纤错位熔接,传感部分用毛细玻璃管封装,空芯光纤内外分别填充酒精和磁流体.除了光纤材料的热光效应和热膨胀效应外,环境温度变化会引起两种溶液折射率的变化,而磁场变化仅引起空芯光纤外的磁流体折射率变化.理论计算可知空芯光纤壁中可支持多个模式传输并相互干涉,各模式传输相位对内外溶液折射率变化灵敏程度不同.因此,干涉谱中两个含有不同模式成分的波谷,即波谷1和波谷2,它们的漂移可以作为指示信号,通过建立敏感矩阵可同时解调出周围环境温度与磁场的变化.实验中,在28—58℃范围内,温度传感灵敏度可达-468 pm/℃;在0—169 Oe范围内磁场传感灵敏度可达82 pm/Oe.该传感器具有高灵敏度与高机械强度,并且能够实现温度与磁场的同时测量,有效消除了温度波动对磁场测量信号的干扰.     

基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的φ-光时域反射计光纤分布式传感系统

提出了一种基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的φ-光时域反射计光纤分布式传感系统.传感光缆采用普通单模光纤制成的直径3 mm的细光缆,并埋设于室外.入侵者走在光缆上面或附近产生的压力(振动)导致光纤中瑞利散射光相位发生变化,由于干涉作用,光相位变化将引起光强度的变化,通过实时将当前时刻的φ-光时域反射计后向瑞利散射信号与其前一时刻(时间间隔0.1 s)的后向瑞利散射信号连续相减检测这种干涉效应来定位入侵位置.经适当的数据处理后,该传感系统定位精度可达到50 m(为目前报道的φ-光时域反射计传感系统最高定位精度),定位范围可达到14 km,信噪比约为12 dB,且灵敏度较高.该系统可望能广泛用于军事基地、国界、核设施及监狱等重要场所的安全防范.     

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.     

匹配干涉结构对远程光纤传感系统噪声的影响

研究了采用内调制相位产生载波（PGC）解调的匹配干涉型光纤传感系统中匹配干涉结构对传输光纤拾音噪声的影响。结果表明：当补偿干涉仪与传感部分相邻时,光学微分效应的作用可大幅度降低由传输光纤光路拾音引入的相位调制噪声;匹配光程差的增加不仅加剧了光频噪声向相位噪声的转换,同时也会影响相位调制噪声的转换幅度。通过设计合适的匹配光程差,并将补偿干涉仪进行有效屏蔽后与传感部分相邻放置,可以有效减小系统的相位噪声。研究成果为光纤传感远程传输系统的综合设计及噪声抑制技术提供了理论及实验基础,具有一定的参考意义。     

中红外空心Bragg光纤的制备及在气体传感中的应用

空心Bragg光纤可广泛用于气体传感, 但要求它的传输通带处于中红外波段, 以便与待测气体的基频吸收峰匹配. 本文提出了空心Bragg光纤传输通带的一种设计方法与波长控制工艺, 可以实现传输通带在2.5-12 μ m内任意波长的空心Bragg光纤的制备. 实验制备出一阶传输通带分别在10.6 μ m和 3.3 μ m的光纤样品, 利用截断法测量出其一阶传输通带损耗分别为5.9 dB/m和8.8 dB/m. 利用在传输通带在3.3 μ m的样品中注入和排出甲烷/氮气混合气体, 观察到了光纤样品透射谱随注入气体浓度的变化, 并用指数稀释法初步测量了该系统的浓度探测极限约为26 ppm, 验证了该光纤应用于气体传感的可行性.     

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.     

光纤模斑谱复合材料固化传感器研究

本文报道了一种新型光纤传感器,其原理为通过测量光纤末端近场模斑谱来反映埋置在周围的树脂折射率的变化。计算了随着在树脂固化过程中折射率变化的功率谱密度分布,给出截止频率与折射率的近似关系。通过测量折射率匹配液,对传感器误差进行了估计。给出了利用这种传感器进行复合材料树脂固化监测的实验结果。发现这种光纤传感器的信号可以用来反映固化凝胶点和固化结束点。指出由于固化后光纤仍保持光波导特性,该光纤还可以用来监测受环境扰动的结构,如温度变化、振动等     

加入防聚剂后水合物浆液流动规律实验研究

本文围绕新型水合物化学抑制剂在海上油气田现场应用过程中将遇到的管道输送工艺设计技术方面的问题开展实验研究,首次以海上凝析油气田现场采集的油、水和按组分配置的天然气为实验介质,加入国内自主研制的水合物防聚剂,在内径25.4 mm、长为20 m的水平环道上进行了水合物浆液流动模拟实验,并结合利用柴油进行实验所得结果.总结分析了耗气量、浆液流量和压降等参数随反应时间的变化规律,对新型水合物化学抑制剂在油田现场应用中的管道工艺设计具有指导意义.     

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.     

基于光纤光栅传感器的体外血管模型应力测量北大核心CSCD

血管中的血液流动会对血管壁产生周向应力,周向应力与血管的结构及功能变化密切相关,测量体外血管模型的周向应力是生物力学研究中较重要的问题。提出了利用光纤光栅测量血管周向应力的方法,基于微流控技术利用钢针模具建立了集成光纤光栅的三维圆形血管模型,通过仿真研究了不同流动速度与应力的关系。仿真结果得到流速在8 mm/s~75 mm/s范围内,应力随速度的改变呈线性变化。利用光纤光栅传感器测量了流体流动时产生的周向应力,根据实验得到了光栅波长改变量与速度的关系,流速范围在8 mm/s~75 mm/s之间变化时,速度引起波长的变化为0.173 nm。结合仿真实验得到了应力与光栅波长改变量的关系,为血液流动时产生周向应力的体外测量提供了新思路。     

Theoretical and Experimental Investigation of Flexural Vibration Transfer Properties of High-Pressure Periodic Pipe

According to the theory of phononic crystals,the hydraulic pipeline is designed to be a periodic structure composed of steel pipes and hoses to suppress the vibration of the hydraulic system with band gaps.We present theoretical and experimental investigations into the flexural vibration transfer properties of a high-pressure periodic pipe with the force on the inner pipe wall by oil pressure taken into consideration.The results show that the vibration attenuation of periodic pipe decreases along with the elevation of working pressure for the hydraulic system,and the band gaps in low frequency ranges move towards high frequency ranges.The periodic pipe has good vibration attenuation performance in the frequency range below 1000 Hz and the vibration of the hydrauhc system is effectively suppressed.All the results are validated by experiment.The experimental results show a good agreement with the numerical calculations,thus the flexural vibration transfer properties of the highpressure periodic pipe can be precisely calculated by taking the Quid structure interaction between the pipe and oil into consideration.This study provides an effective way for the vibration control of the hydraulic system.     

Coolant choice for the central beryllium pipe of the BESⅢ beam pipe

In order to take away much more heat on the BESⅢ beam pipe to guarantee the normal particle detection,EDM-1(oil No.1 for electric discharge machining),with good thermal and flow properties was selected as the candidate coolant for the central beryllium pipe of the BESⅢ beam pipe.Its cooling character was studied and dynamic corrosion experiment was undertaken to examine its corrosion on beryllium.The experiment results show that EDM-1 would corrode the beryllium 19.9 μm in the depth in 10 years,which is weak and can be neglected.Finite element simulation and experiment research were taken to check the cooling capacity of EDM-1.The results show that EDM-1 can meet the cooling requirement of the central beryllium pipe.Now EDM-1 is being used to cool the central beryllium pipe of the BESⅢ beam pipe.     

一种用于细胞操作的单光纤光镊研究

采用一种抛物线形光纤针作为基本器件,设计制作了单光纤光镊系统.用时域有限差分（Finite Difference Time Domain,FDTD）的方法仿真了抛物线型光纤探针的出射场,并在稳态场下通过对麦克斯韦应力张量积分求出不同介质球半径和折射率情况下,介质球受到的横向和纵向光作用力.实验中此单光纤光镊系统实现了对水中酵母细胞的空间捕获,并且结合两个抛物线形光纤针实现了酵母细胞在两个光势阱中的转移交接.这种单光纤光镊系统结构简单、紧凑,操纵灵活,便于调整.可以适应更多的生物细胞和生物分子的光微操作需求.     

Predicting phase shift effects for vibrating fluid-conveying pipes due to Coriolis forces and fluid pulsation

Knowing the influence of fluid flow perturbations on the dynamic behavior of fluid-conveying pipes is of relevance, e.g., when exploiting flow-induced oscillations of pipes to determine the fluids mass flow or density, as done with Coriolis flow meters (CFM). This could be used in the attempts to improve accuracy, precision, and robustness of CFMs. A simple mathematical model of a fluid-conveying pipe is formulated and the effect of pulsating fluid flow is analyzed using a multiple time scaling perturbation analysis. The results are simple analytical predictions for the transverse pipe displacement and approximate axial shift in vibration phase. The analytical predictions are tested against pure numerical solution using representative examples, showing good agreement. Fluid pulsations are predicted not to influence CFM accuracy, since proper signal filtering is seen to allow the determination of the correct mean phase shift. Large amplitude motions, which could influence CFM robustness, do not appear to be induced by the investigated fluid pulsation. Pulsating fluid of the combination resonance type could, however, influence CFMs robustness, if induced pipe motions go unnoticed and uncontrolled during CFM operation by feedback control. The analytical predictions offer an immediate insight into how fluid pulsation affects phase shift, which is a quantity measured by CFMs to estimate the mass flow, and lead to hypotheses for more complex geometries, i.e. industrial CFMs. The validity of these hypotheses is suggested to be tested using laboratory experiments, or detailed computational models taking fluid-structure interaction into account.     

基于二阶保偏光纤Sagnac环光纤激光器的振动检测研究

提出了一种可用于振动检测的新型光纤光栅传感技术. 用偏振控制器和高双折射保偏光纤构建成Sagnac环, 结合掺铒光纤、单模光纤和隔离器, 形成了单波长光纤激光器, 由粘有光纤Bragg光栅的悬臂梁作为传感探头, 并利用Sagnac环本身的线性边缘, 解调振动信号. 阐述了Sagnac环原理及其产生的边缘效应, 并进行了数值模拟计算, 对振动信号进行了检测实验, 检测系统从L₁到L₁+L₂之间对应的周期可调, 灵敏度高达38.2 μ W/nm, 线性度为0.9996, 动态范围在40–70 dB, 可满足振动传感检测的技术参数要求. 关键词： 光纤光学 振动检测 保偏光纤Sagnac环 光纤激光器