温度不敏感的光纤布拉格高压传感技术研究

 为了实现单一光纤光栅对压强精确测量,设计了一种温度不敏感的光纤布拉格高压传感器。对该传感器的温度特性及压强响应特性进行研究。给出了该传感器的结构及封装方法。从理论上分析了该传感器的温度去敏原理,推导了该压强传感器的光纤布拉格光栅中心波长与压强的关系,得到了该传感器的压强响应灵敏度的解析表达。通过实验分析传感器的温度特性及压强响应。实验结果表明,在21℃～260.8℃的范围内,实现了温度补偿,平均波长漂移量为0.75 pm/℃,在0～44 MPa的范围内,获得了-0.054 8 nm/MPa的压强响应灵敏度,是裸光纤布拉格光栅压力响应灵敏度的18.27倍。该传感器的压强响应具有很好的线性和重复性,实验值与理论值吻合得很好,该传感器能够通过一只光纤布拉格光栅实现压强的精确测量。     

油气井下光纤光栅温度压力传感器

温度和压力是石油开采过程中重要的参数,但油气井下高温高压环境苛刻,传统电子传感器很难实现长期稳定的工作。本文提出了一种基于碳纤维管增敏型的光纤光栅温度压力传感器。该传感器是以碳纤维丝编织成的中空管状结构作为骨架,通过耐高温环氧树脂固化成复合碳纤维管作为弹性体,并将表面嵌入耐高温光纤布拉格光栅作为感知元件,实现了井下温度和压力的同时测量。实验结果表明,该传感器可以在0～150℃和0～80 MPa环境下稳定工作,压力灵敏度最大可达到-50.02 pm/MPa,同时表现出很好的线性响应。通过外加参考光栅作为温度补偿光栅,解决了温度和压力同时测量过程中的交叉敏感问题,满足了井下开采过程中的精度要求,为油气井下高温高压光纤传感器的设计提供了实验依据。     

光子晶体光纤温度压力传感器

提出了一种在高温环境下同时测量温度和气压的光子晶体光纤温度压力传感器.在普通单模光纤和光子晶体光纤之间熔接一段空心光纤构成干涉结构.空心光纤段构成非本征法布里-珀罗干涉仪,利用光子晶体光纤的微孔与外界相通,通过气体折射率变化来测量环境中的气压变化;光子晶体光纤段构成本征法布里-珀罗干涉仪,利用热膨胀效应和热光效应来测量环境中的温度.传感器的解调通过自制的白光干涉解调仪实现,实验通过测量腔长得到被测环境的温度和气压.在不同温度和气压环境下,对腔长分别为306μm和1535μm的温度压力光纤传感器进行连续测量.实验结果表明,传感器能够在28~800℃的温度下和0~10 MPa的气压下稳定工作,测量范围内温度灵敏度可达17.4 nm/℃,压力灵敏度随温度增加而降低,在28℃时可达1460.5 nm/MPa.     

波长和强度同时响应的锥形多模光纤温度传感器

通过将一段长为17 mm的多模光纤两端分别与单模光纤对芯熔接,然后对多模光纤部分进行拉锥处理,得到一种波长和强度同时对温度响应的锥形多模光纤温度传感器。实验研究了30 ℃~80 ℃范围内传感器的温度传感特性。实验结果表明:当环境温度发生变化时,该传感器在1 542 nm附近干涉波谷的波长和强度对温度的响应灵敏度分别可达到0. 041 nm/℃和0. 106 dB/℃,并且传感器干涉条纹的波长响应和强度响应之间呈良好的线性关系。基于传感器波长响应与强度响应之间的该线性关系,通过传感信号强度的检测即可实现干涉型光纤传感器的相位解调,该方法为传感解调信号提供了新思路,具有重要的参考价值。     

美国研究用于测量高温的双折射补偿偏振光纤传感器

偏振光纤传感器可用于测量电流、电压、压力、加速度和液面。但是,由于这种传感器头中的大多数光学元件不耐高温,所以只能低温下使用。美国光纤和电光研究中心等单位研制了一种可用于150℃高温测量的双折射补偿偏振光纤传感器,其温度范围为25—1500℃。灵敏度为5℃。这种双折射补偿偏振多模光纤传感器     

吸收式光纤温度传感器的研究

提出了一种利用半导体光吸收谱随温度变化原理设计的半导体吸收式光纤温度传感器.该传感器用GaAs晶片作为温度敏感元件,以光纤作为传光介质,发光二极管作为光源,光电管作为光电转换器件.利用双光束补偿原理,消除了由于光源不稳定产生的干扰.研制出的光纤传感器具有体积小,结构简单,抗电磁干扰,灵敏度高等优点.实验表明:该传感器在－20℃~85℃温度范围内可以达到0.1℃的准确度,可以实现强电磁干扰下的高空飞行器内环境温度的测量.为进一步实现光传飞控系统中的温度测控奠定了基础.     

活塞式菱形结构光纤布喇格光栅渗压传感器

为了适应矿井、大坝对渗压监测的需要,提出一种活塞和菱形传压结构相结合的光纤布喇格光栅渗压传感器,活塞把测试压力传递到菱形传压结构,菱形传压结构拉动其上下对称连接的弹性钢片,导致粘贴在弹性钢片上的光纤布喇格光栅中心波长产生变化.利用有限元方法在500kPa的测试环境中对顶角分别为90°、110°、130°、150°情况下菱形传压结构的应力特性进行分析,根据仿真参量研制了渗压传感器,并对该传感器进行了压力标定试验和温度补偿试验.实验结果表明:传感器对渗压的灵敏度为2.04nm/MPa,拟合度为0.997,重复性为0.9%,两个测压光栅温度灵敏度分别为0.023 33nm/℃、0.021 68nm/℃,温补光栅为0.009 916nm/℃.     

具有温度补偿的光纤位移传感器

位移测量是结构健康检测的重要参量之一.本文提出了一种双悬臂梁粘贴光纤光栅的位移传感器,它将位移变化转换成两只光纤光栅的波长移动,实现对位移量的绝对测量.通过引入对称补偿光纤光栅的方法解决了温度与位移交叉敏感的问题.推导了位移传感器的工作原理,完成了相关实验,并分析了传感器所产生误差的来源.实验结果表明,在量程为20 mm的时候,位移灵敏度为123 pm/mm,温度补偿前,温度对位移的影响是234.9 μm/℃;温度补偿后,温度对位移的影响为17 μm/℃.本位移传感器量程大、线性好、准确度高,不易受恶劣环境影响.     

双弹簧管光纤差压传感器

设计了一种利用对称反转连接的双弹簧管作为差动压力传感元件,进行差动压力测量的光纤传感器.这种光纤传感器是在通用光纤传感设计实验系统的基础上,利用三光纤反射调制技术,实现光源强度的变化和光纤中光功率损耗的变化以及反射率的变化自动补偿的.理论上,分析了这种反转对称差压传感弹性元件在使用过程的优点,给出了三光纤补偿理论分析方法.实验上,获得了该光纤差压传感器的线性输出测试结果.     

基于掺铒光纤的微型光纤法布里-珀罗干涉传感器

提出了一种化学腐蚀掺铒光纤制作微型光纤法布里-珀罗干涉传感器的方法。通过对掺铒光纤进行化学腐蚀,形成凹槽,再与单模光纤直接熔接制作而成。实验制作的微型法布里-珀罗干涉传感器干涉条纹光滑,对比度达到15dB。对该微型光纤法布里珀罗干涉腔进行了应变和温度传感实验。实验结果表明,在0-600με￡内,波谷移动随应变改变的灵敏度达到1．7pm／με,线性度为0．9998,从73～23℃,波谷移动随温度改变的灵敏度3．9pm／℃,线性度为0．9982。该方法制作的微型光纤法布里-珀罗传感器具有操作简单,一次成型,制作成本低的优点。     

光纤偏振态自动补偿的光纤电流互感器

提出了一种对状结构光纤电流互感器中的输入光纤偏振态进行自动补偿的新结构,并给出了理论分析和实验结果。这种结构使光纤电流互感器的稳定性和检测精度有显著提高。     

Improvement of measurement range of optical fiber displacement sensor based on neutral network

By studying the output characteristics of random type optical fiber displacement sensor and semicircular type optical fiber displacement sensor, a sensor of new structure was designed. Using the ratio of the two output signals as the output of the whole system, the measurement range was enlarged, the linearity was improved, and the errors of reflective and absorbent changing in target surface are automatically compensated. Meantime, an optical fiber sensor model of correcting static error and linearizing the output curve based on BP artificial neural network was set up. The intrinsic errors such as fluctuations in the light, circuit excursion, the intensity losses in the fiber lines and the additional losses in the receiving fiber caused by bends were eliminated. By discussing in theory and experiment, the error of nonlinear is 2.9%, the measurement range reaches to 3.0 mm and the relative accuracy is 2%. This kind of sensor offers such advantages as no electromagnetic interference, simple construction, high sensitivity, good accuracy and stability.     

错位光纤干涉激光谱结合BP神经网络的温度传感研究

在分析不同温度时单模错位光纤干涉光谱对应波长的条件下,搭建三层BP神经网络模型对温度传感进行研究,解决了常规光纤测温系统复杂和精度不高的问题。对建立的网络模型参数进行探讨,将采集的激光波长与对应的温度数据,经BP神经网络训练,对比得到最佳网络结构,达到在训练完成的网络输入层输入激光波长值时,便可在输出层得到对应的温度预测值。结果证明,实验输出的预测温度值与实际温度值之间表现出明显的相关性,即预测值能够逼近实测值。温度校正和预测相关系数分别达到0.999 61和0.979 27,校正标准误差与预测标准误差分别为0.017 5和0.144 0,得到预测集的平均相对误差为0.17%,剩余预测误差RPD可达到5.258 3,RPD大于3.0,说明定标效果良好,所建模型可用于实际的检测。另外,将该算法用于了带校正的双耦合结构单模错位光纤测温系统中,结果表明BP神经网络方法能够较好的处理错位光纤测温系统中激光光谱数据和温度之间的非线性关系,预测温度值与实测温度值之间的相关度为0.996 58,得到预测温度值与实际温度值之间平均相对误差为0.63%,从而提高了光纤测温传感器的精度和稳定性,同时也验证了该算法在光纤传感上的可行性,也为错位光纤的压力、曲率等其他物理量传感的精确测量提供了新思路。     

高速光通信系统中光纤光栅色散补偿研究

通过对光栅制作过程的优化设计，解决了光纤光栅温度稳定性、纹波系数、带宽、偏振模色 散补偿等关键技术，所制作光纤光栅已经达到温度系数小于00005 nm/℃，带宽大于14 nm，纹波系数小于50 ps，色散量超过 -1000 ps/nm的先进水平. 采用琼斯矩阵本征值法较 精确地测量了光栅的偏振模色散，并对其进行了补偿，光纤光栅色散补偿器的偏振模色散由 补偿前的91406 ps改善为补偿后的01521 ps. 在此基础上，成功地建立了一个稳定可靠 、速率为40 Gb/s，传输链路为122 km G 关键词： 高速光通信系统 普通单模光纤 光纤光栅 色散补偿     

分布式光纤温度压力传感器设计

为了实现油田井下温度压力的全分布式测量,提出了一种基于光纤散射原理的分布式温度压力测量方法。该方法通过对普通光纤进行封装设计,制作成传感光纤。由于光纤传感器周围流体的温度和压力会对传感光纤内的散射光产生调制作用,通过光纤解调仪解调出光纤拉曼散射参数和布里渊散射频移就能够实现温度和压力的实时在线测量。实验结果表明:设计的分布式光纤温度压力传感器可以实现的温度测量分辨率为0.1 ℃,压力测量分辨率为0.07 MPa。基本满足油田井下温度压力测量的全分布式、实时在线、可靠性高、精度高、抗干扰能力强等要求。     

Experimental study of underwater transmission characteristics of high-frequency 30 MHz polyurea ultrasonic transducer

In this paper, we present the transmission characteristics of a polyurea ultrasonic transducer operating in water. In this study, we used a polyurea transducer with fundamental resonance at approximately 30 MHz. Firstly, acoustic pressure radiated from the transducer was measured using a hydrophone, which has a diameter of 0.2 mm. The transmission characteristics such as relative bandwidth, pulse width, and acoustic sensitivity were calculated from the experimental results. The results of the experiment showed a relative bandwidth of 50% and a pulse width of 0.061 μs. The acoustic sensitivity was 0.60 kPa/V with good linearity, where the correlation coefficient R in the fitting calculation was 0.996. A maximum pressure of 13.1 kPa was observed when the transducer was excited at a zero-to-peak voltage of 21 V. Moreover, we experimentally verified the results. The results of the pulse/echo experiment showed that the estimated diameters of the copper wires were 458 and 726 μm, where the differences between the actual and measured values were 15% and 4%, respectively. Acoustic streaming was also observed so that a particle velocity map was estimated by particle image velocimetry (PIV). The sound pressure calculated from the particle velocity obtained by PIV showed good agreement with the acoustic pressure measured using the hydrophone, where the differences between the calculated and measured values were 12–19%.     

温度补偿的光纤光栅应力传感系统的研究

提出并实验了一种有温度补偿的用于测量应力的光纤光栅传感系统。该系统用一组光纤光栅作为温度传感元件 ,对另一组应力传感的光纤光栅作温度补偿 ,有效地消除了由于温度变化而带来的应力测量误差。用一个应变仪作为系统的读出设备 ,使系统的测量结果的线性拟合度达 0 999。     

一种用于滑坡监测的复合光纤装置

针对滑坡体深部位移这一重要指标,基于光时域反射技术,设计了一种蝴蝶结形式的复合光纤装置用于监测深部剪切位移.该传感装置由方形聚氯乙烯树脂管、毛细钢管、光纤、砂浆组合而成.首先在40mm×40mm×500mm(厚2.0mm)的聚氯乙烯树脂方管四周开挖导槽,将Φ1×500mm毛细钢管放置在导槽中.然后用光纤穿入毛细钢管,光纤一端固定,另一端绕制成蝴蝶结形式.最后在聚氯乙烯树脂管外围浇筑Φ110mm的砂浆,制作成圆柱式复合光纤装置.室内边坡模型剪切测试台测试结果表明:该装置对深部剪切位移初测准确度为1mm,最大测量范围为40mm.分析表明该复合光纤装置具有灵敏度高、测量范围大、结构简单易于安装等优点,可以用于滑坡以及野外岩土结构工程等进行现场原位监测.     

Investigations on order and width of RZ super Gaussian pulse in pre-, post- and symmetrical-dispersion compensated 10 Gb/s optical communication system using standard and dispersion compensating fibers

We show the effect of varied order and width of super Gaussian pulse at 10 Gb/s in dispersion compensated optical communication system. The optical communication system consists of standard single-mode fiber of 16 ps/nm/km of a certain length, whose dispersion is compensated using pre-, post- and symmetrical-dispersion compensation schemes with proportionate length dispersion compensating fiber of −80 ps/nm/km. Performance of these three compensation schemes is compared at 14 dBm values of Er-doped fiber amplifiers (EDFA) power at 1st, 2nd and 3rd order RZ super Gaussian optical pulse. The pulse width, full width at half maximum (FWHM) is also varied from 5 to 30 ps to highlight the optimum performance. The graphical results obtained show a relationship among the attributes pulse width, order of RZ super Gaussian optical pulse and dispersion compensation scheme implemented. It shows that to decrease BER and timing jitter in the system, smaller width and 3rd order super Gaussian pulse should be used. It is recommended that to decrease dependency of BER and timing jitter in the communication system on the pulse width i.e. FWHM, the symmetrical compensation scheme should be implemented.     

高温光子晶体光纤温度传感器

针对大于500℃的高温环境,提出了一种可用于高温温度测量的高温光子晶体光纤(PCF)温度传感器。在光子晶体光纤末端熔接一段纯石英无芯光纤构成外腔式光纤法珀腔(EFPI)结构。纯石英无芯光纤在高温下的热膨胀和热光效应使得EFPI的光学腔长发生变化。结合光纤白光干涉测量技术,通过测量EFPI的腔长得到被测温度。在不同温度环境下,对腔长为175μm的EFPI光纤温度传感器进行连续测量。测量结果显示,设计的高温光纤温度传感器在27~1100℃范围内,腔长-温度三阶拟合精度达到99.95%,腔长-温度灵敏度为(0.851+0.0023T-0.000000957T2)nm/℃,其中在1100℃时,温度测量分辨率为0.225℃。