不同封装光纤低温测温性能研究

基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器由于具有抗电磁干扰、耐高压、可连续测温等优点,在超导电缆及相关超导电力装置中具有潜在应用场景.在超导电缆低温运行环境中,常规光纤封装材料耐低温性能差,其收缩变形会降低光纤测温性能甚至破坏光纤结构.本文对低温下不同封装光纤测温性能展开研究,选择四种光纤样品,在77～287 K温度区间内对其进行了稳态和动态温度测量实验,分析了低温下不同封装材料、结构和厚度等因素对光纤测温性能的影响,给出了适用于液氮低温测温的光纤封装材料和结构,实验验证了聚烯烃紧套光纤在时间和空间上连续测温的可行性.     

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。     

基于光纤光栅测温的电缆低温试验分析

介绍了光纤光栅测温技术用于电缆的低温温度场监测试验,为高寒低温区等区域实现对电缆及周围环境的温度数据实时远程采集提供了新的方案,增强了电缆运行系统的安全性、可靠性、可控性。     

改进型光纤布拉格光栅温度检测系统研究

传统的光纤布拉格光栅温度检测系统适用于大范围、多点位的实时温度检测领域,但其温度响应稳定性差,布拉格光栅中心波长偏移量随温度变化量的线性度差。为提高系统温度检测稳定性及其检测精度,设计了一种改进型光纤布拉格光栅温度检测系统。该系统采用双光纤并行采集同点位温度并进行差分处理的方法,实现对测温过程中随机误差的实时有效消除,进而达到提高测温稳定性及检测精度的目的。计算推导了该模式下光纤布拉格光栅中心波长偏移量关于温度变化量的函数关系,给出了新式光纤光栅探头的结构。实验将改进型光纤布拉格光栅温度检测系统与传统系统进行对比,结果显示,改进型系统的温度测量精度可达0.5 ℃,相比传统系统得到了提升,同时,其测温误差也明显优于传统系统,说明采用该设计可以提高系统测温的稳定性。     

基于FBG的直流高温超导电缆失超检测

高温超导电缆输电具有损耗小、传输密度高、无电磁污染等特点,越来越受到各国的重视。但是当超导电缆发生失超故障时,产生的焦耳热会影响电缆的绝缘,使电缆无法正常运行。快速准确的失超检测就显得尤为重要。设计制作了一条高温超导电缆的模型,并搭建了高温超导电缆的测温与保护平台,采用光纤光栅测温对其失超之后铜骨架的温度变化进行测量,结合理论分析与仿真计算,论证了光纤光栅能满足对于高温超导电缆失超检测的要求。该方法具有反应速度快、结构简单的特点,可用于检测采用Triaxial结构和实心骨架的高压交直流超导电缆失超故障,为高温超导电缆的失超检测技术的实际应用提供了参考依据。     

基于阵列波导光栅的智能服装人体测温解调系统研究

研究并实现了一种应用于智能服装中人体温度测量的阵列波导光栅解调系统。分析了系统的解调原理,搭建了光纤布拉格光栅解调实验平台,采用了强度法解调出光纤光栅的布拉格波长,完成了光纤光栅传感器串联前后解调的实验。结果表明,系统对光纤布拉格光栅的布拉格波长的解调具有高线性度,波长测量精度可达0.001 nm,光纤布拉格光栅传感器间串扰所造成的解调误差为0.000 5 nm,人体温度的测量误差为±0.16 ℃。该解调系统精度高、串扰低,可适用于智能服装中人体温度的测量。     

电气设备中远距离荧光测温技术研究

为了实现对高压电气设备的非接触温度监控,设计了中远距离(0~1.5m)非接触荧光光纤测温系统.该系统利用稀土荧光材料的荧光温度特性,通过测量物体表面荧光物质的受激荧光寿命获得物体的温度信息;通过增加聚光透镜和聚光锥罩,提高探测器接收到的光能量.实验获得荧光强度曲线及被测对象温度,实现了对温度的非接触实时测量,测量误差低于1℃,满足高压电气设备的非接触温度监控要求.     

基于取样光纤布拉格光栅的全光纤拉曼测温分光系统设计及优化

为实现大气温度全天时和高精度主动遥感探测, 转动拉曼测温激光雷达的分光系统需要滤除强烈的背景光噪声, 以及对Mie-Rayleigh散射提供70 dB以上的带外抑制率. 本文提出了以可见光波段取样光纤布拉格光栅为核心的多级级联的特征光谱提取光路, 构建高抑制率的全光纤拉曼测温分光系统, 以实现大气温度的全天时和高精度探测. 根据分光系统光路的传输特性, 采用传输矩阵模型, 优化设计了影响取样光纤布拉格光栅带外抑制率的主要因素(折射率调制深度、栅区总长度、取样周期和占空比), 得到了优化的光谱分光系统参数. 利用该分光系统可实现太阳背景光强度和Mie-Rayleigh散射信号强度分别比转动拉曼散射信号强度弱40 dB和50 dB, 信噪比高于100时, 白天探测高度可达1.6 km. 该全光纤分光系统具有小型化、抗干扰和稳定性高的优点, 可为陆基及星载拉曼测温激光雷达提供一种全新的解决方案.     

光纤分布式测温系统中基于迭代法的高准确度温度解调算法

提出了一种利用喇曼散射原理的光纤分布式测温系统中基于迭代的高准确度温度解调算法.针对于常规的反斯托克斯-斯托克斯双光路比值的温度解调算法,该迭代算法进一步校正了光纤中双光路衰减系数差对温度敏感带来的温度测量误差,尤其适用于中距离且温度场复杂的测温环境,实现了高准确度的温度测量.通过理论分析确定了该迭代法的迭代格式,测量了相应的光纤参量,并在传感样机上编写相应的代码通过实验予以验证,在0~90℃温度范围,5 km测量长度输出的测温曲线符合预期的测温效果.     

光纤分布式测温系统中基于迭代法的高准确度温度解调算法

提出了一种利用喇曼散射原理的光纤分布式测温系统中基于迭代的高准确度温度解调算法.针对于常规的反斯托克斯-斯托克斯双光路比值的温度解调算法,该迭代算法进一步校正了光纤中双光路衰减系数差对温度敏感带来的温度测量误差,尤其适用于中距离且温度场复杂的测温环境,实现了高准确度的温度测量.通过理论分析确定了该迭代法的迭代格式,测量了相应的光纤参量,并在传感样机上编写相应的代码通过实验予以验证,在0～90℃温度范围,5km测量长度输出的测温曲线符合预期的测温效果.     

光纤光栅温度应变智能传感原理及增敏技术研究

文章分析了光纤光栅对温度和应变传感的响应机理，对光纤光栅的纤芯材料选择、光纤光栅的写入方法及封装方法等方面进行了综合评述，在此基础上讨论了实现光纤光栅对温度和应变传感增敏的基本原理和方法，介绍了长周期光纤光栅与光纤布拉格（Bragg)光栅融合测量和如何选用对温度和应变灵敏的纤芯材料，研究了超短脉冲激光直接写入法和如何选用热膨胀系数和弹性模量不同的特种聚合材料对光纤光栅进行封装处理。     

用双周期光纤光栅实现温度和应变的同时测量

介绍了光纤光栅传感器的一般原理，分析了长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅的应变和温度响应机理。结果表明，长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与纤芯参数和光栅周期有关，还依赖于包层参数。在同一根光纤上先后写入长周期光纤光栅、Bragg光纤光栅，利用长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅基模与包层模耦合时温度和应变灵敏度的不同，实现应变和温度的同时测量。     

基于双芯光纤级联布拉格光纤光栅的温度与应力解耦双测量传感系统

提出了一种基于耦合型双芯光纤级联布拉格光纤光栅的温度与应力双参数解耦测量的全光纤型传感系统。实验制备了一系列不同长度的双芯光纤滤波器,并测量分析了其自由光谱范围与双芯光纤长度的关系,结果与理论基本一致。实验发现双芯光纤及布拉格光栅对施加应力与环境温度的变化具有不同的光谱响应。利用光谱分析仪实时监测双芯光纤透射光谱波谷处波长及光纤光栅透射谱的波长漂移量,方便地实现了温度与应力的解耦双测量。多次测试发现该传感器对应力与温度响应特性具有良好的重复性,波长误差低于实验所用光谱仪分辨率。对于0.01 nm波长分辨率的光谱仪,提出的全光纤型传感器可以分别实现4.3048με及0.4562℃的应力与温度传感测量分辨率。     

关于镀有LB膜长周期光纤光栅的谐振波长的研究

理论上详细分析了长周期光纤光栅谐振波长随外界环境折射率变化而变化的光谱特性，分析结果可较好地解释镀有LB膜(Langmuir-Blodgett thin-film)的长周期光纤光栅的谐振波长与膜厚之间的关系。分析研究表明．通过减小纤芯直径和改变芯与包层折射率差等方法可调整光纤光栅的谐振波长，使其从一般光纤光栅谐振波长所处的近红外区转到可见光区，以利于光纤光栅配套仪器系统的调试并使系统成本降低，从而为长周期光纤光栅传感技术的发展和应用奠定基础。     

一种提高分布式光纤测温系统空间分辨率的线性修正算法

由于分布式光纤喇曼测温系统带宽不足,导致系统的空间分辨率低;当光纤的感温区域长度接近空间分辨率的时候,系统温度响应幅值不够,导致测温不准.为解决此问题,本文提出了一种线性修正算法;在分析温度与喇曼比值关系及系统的频率响应特性的基础上,建立了该算法的数学模型,搭建了基于单模光纤的10km分布式测温系统,并利用该算法进行了相关测温实验.实验结果与理论分析一致,该算法能有效修正3～6m光纤的温度响应幅值,使系统测温准确度达1℃,测量时间为40s.本算法在不增加效系统成本的同时,克服了系统带宽不足,优化了空间分辨率、温度分辨率及测量时间.     

一种提高分布式光纤测温系统空间分辨率的线性修正算法

由于分布式光纤喇曼测温系统带宽不足,导致系统的空间分辨率低;当光纤的感温区域长度接近空间分辨率的时候,系统温度响应幅值不够,导致测温不准.为解决此问题,本文提出了一种线性修正算法;在分析温度与喇曼比值关系及系统的频率响应特性的基础上,建立了该算法的数学模型,搭建了基于单模光纤的10 km分布式测温系统,并利用该算法进行了相关测温实验.实验结果与理论分析一致,该算法能有效修正3~6 m光纤的温度响应幅值,使系统测温准确度达1℃,测量时间为40 s.本算法在不增加效系统成本的同时,克服了系统带宽不足,优化了空间分辨率、温度分辨率及测量时间.     

一种新的长周期光纤光栅制作方法

提出了长周期光纤光栅的一种新的制作方法,通过对光纤周期性刻槽并加热拉伸引入纤芯形变,而使得纤芯折射率产生周期性变化。文中给出实验结果,并对其基本原理进行了理论分析。这种长周期光经行光栅可应用于需要宽阻滞滤波器的波分复用系统。     

螺旋线慢波结构夹持性能测试方法研究

提出了一种由螺旋线慢波结构热分布特性来获知其夹持性能的方法. 设计了基于光纤光栅和热电偶的分布式温度测试平台, 计算和分析了光纤光栅等测温元件对慢波结构散热特性的影响. 搭建了实验系统, 研制了分布式微型光纤光栅温度传感阵列, 并对某型X波段行波管慢波结构进行对比测试. 结果表明, 实验获得的温差曲线可准确判别慢波结构夹持性能的优劣, 且不破坏器件结构与性能. 关键词： 慢波结构 夹持特性 散热能力 光纤光栅传感阵列     

基于光纤布拉格光栅的智能服装人体测温模型研究

根据热量传递机理建立了智能服装中光纤布拉格光栅人体测温的热传递物理模型,对人体、空气层和服装之间的热传递进行了有限元建模和稳态热分析,确定了智能服装中光纤布拉格光栅温度场的数学模型,利用该数学模型对光纤布拉格光栅测量温度值进行了修正.在多点加权皮肤平均温度的基础上,提出了由左右胸、左右腋和后背五处皮肤温度构成的智能服装...     

光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的湿度传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纤结构的湿度传感器。当环境湿度变化时,SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移,而光纤布拉格光栅对湿度不敏感,其纤芯基模保持不变。因此利用SMS光纤结构对环境湿度的敏感性去调制光纤布拉格光栅纤芯基模,通过检测光纤布拉格光栅纤芯基模的反射能量变化就可以实现湿度测量。数值模拟了SMS光纤结构的内部光场分布规律,理论计算了不同环境折射率时,多模纤芯的长度、直径对SMS光纤结构输出能量耦合系数的影响。理论模拟表明,随着环境折射率变化,SMS光纤结构中传输的纤芯基模的输出能量耦合系数会发生变化。同时制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究,实验结果表明多模纤芯长35 mm、纤芯直径为85 μm的传感器在45%～95%RH湿度变化范围内,湿度灵敏度为0.06 dBm·(%RH)-1。在20～80 ℃温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008 nm·℃-1,温度所带来的湿度测量误差为0.047%RH·℃-1。传感器具有制作简单、灵敏度高、反射式能量检测等优点,在湿度测量领域有一定的应用价值。