布拉格光纖光柵的碳纖維壁板損傷監(jiān)測

根據(jù)彈性力學(xué)和邊界條件,得出了光纖布拉格光柵(fbg)傳感器應(yīng)變測量值與基體材料實際應(yīng)變的關(guān)系方程。通過裸光柵直埋基體材料界面?zhèn)鬟f的特征系數(shù),可表征和計算fbg檢測應(yīng)變與測點實際應(yīng)變的誤差及修正系數(shù)。并對固化于cfrp的fbg變傳感特性進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明:fbgbragg波長對應(yīng)變表現(xiàn)出很好的線性和重復(fù)性。用電阻應(yīng)變儀對fbg傳感器應(yīng)變傳感特性進(jìn)行實驗對比標(biāo)定,得出了表征fbg性能的應(yīng)變傳感靈敏系數(shù)。fbg傳感器具有優(yōu)異的應(yīng)變傳感特性,為先進(jìn)智能復(fù)合材料的研發(fā)與應(yīng)用提供了依據(jù)。

闡述了光纖布拉格光柵的幾種解調(diào)方法及實驗原理框圖,并介紹了各種解調(diào)方法的優(yōu)缺點。

提出了一種基于fpga與dsp平臺的光纖布拉格光柵傳感分析儀,將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為光纖布拉格光柵波長的偏移,通過數(shù)據(jù)采集、過濾雜波、信號波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長計算等關(guān)鍵步驟來實現(xiàn)波長解調(diào)技術(shù),進(jìn)而完成溫度、應(yīng)變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實現(xiàn)光纖線路故障分析與定位的功能。實驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)功耗低、線性度好、波長解調(diào)精度與分辨率較高。經(jīng)過長期測試,系統(tǒng)軟硬件運行穩(wěn)定可靠。

為了安全可靠地建好每座大跨橋梁,就要對每座橋的施工過程進(jìn)行安全監(jiān)測,傳統(tǒng)的安全監(jiān)測方法是采用電測技術(shù),由于抗電磁干擾性差等原因,測試的數(shù)據(jù)真實性差。筆者在布拉格光纖光柵的傳感原理、室內(nèi)懸臂梁試驗和埋設(shè)工藝的研究基礎(chǔ)上,成功地在黑大公路牛頭山大橋上布設(shè)了布拉格光纖光柵應(yīng)變傳感器,為對比布拉格光纖光柵的監(jiān)測結(jié)果,埋設(shè)了應(yīng)變磚測試混凝土的應(yīng)變,監(jiān)測了該橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁先簡支后連續(xù)施工的全過程,施工監(jiān)測結(jié)果表明:布拉格光纖光柵監(jiān)測大橋施工結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠,同時證明該光纖光柵測試技術(shù)可以用于橋梁施工過程的安全監(jiān)測且結(jié)果明顯好于傳統(tǒng)的電測技術(shù)。

針對傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測技術(shù)中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實現(xiàn)體內(nèi)長期監(jiān)測等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監(jiān)測的實現(xiàn)原理及應(yīng)用方式.基于fbg應(yīng)力傳感原理,將不同中心波長的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進(jìn)行載荷實驗,隨后將采集的布拉格波長換算成形變,實時顯示骨骼受載荷時的形變趨勢.實驗采用在多點粘貼f3g的方式,避免了溫度、應(yīng)變交叉?zhèn)鞲械膯栴}.實驗表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長變化與該位置受力產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對應(yīng)關(guān)系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達(dá)39.00525pm/mm.實驗結(jié)果對發(fā)展微型、實時、集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

根據(jù)激光脈沖在光纖光柵中傳播時所滿足的相干耦合非線性薛定諤方程,利用計算機數(shù)值模擬,研究了激光脈沖在拋物線平方變跡布拉格光纖光柵中傳輸時,在反常色散區(qū)和正常色散區(qū)產(chǎn)生的調(diào)制不穩(wěn)定性增益譜的特性.結(jié)果表明,在反常色散區(qū)和正常色散區(qū)都能產(chǎn)生調(diào)制不穩(wěn)定性,并且調(diào)制不穩(wěn)定性增益譜都受拋物線平方變跡函數(shù)的制約.

文中介紹了光纖布拉格光柵的原理;根據(jù)耦合模方程,介紹了幾種光柵的仿真方法;分別以光纖布拉格光柵濾波器、色散補償器、相移光柵和采樣光柵為例說明了光纖光柵的設(shè)計方法。

分析光纖光柵傳感原理,闡述可調(diào)光纖f-p濾波器的工作機理和特點,并介紹了基于arm實現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)傳感器的解調(diào)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計。采用三星公司的s3c44box對經(jīng)過可調(diào)諧f-p腔解調(diào)后的波長信息進(jìn)行采集,并對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)可以滿足一般的工程要求。

研究了單模光纖布拉格光柵的偏振相關(guān)損耗(pdl)特性。運用耦合模理論和瓊斯(jones)矩陣提出了反射光的有效偏振相關(guān)損耗(pdleff),并模擬了其隨光柵參數(shù)和雙折射量的變化性質(zhì)。光柵反射光的偏振相關(guān)損耗在反射譜的帶邊處明顯地表現(xiàn)出來,特別是帶邊比較陡峭時。結(jié)果表明,光柵的有效偏振相關(guān)損耗明顯地依賴于光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和雙折射量。光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨光柵長度和調(diào)制深度的增加急劇增大。對于給定光柵長度和調(diào)制深度的光柵,光柵雙折射量小于2×10-5時,光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨雙折射的增大迅速增大;光柵雙折射量大于2.5×10-4時,光柵的有效偏振相關(guān)損耗的兩個主峰的寬度變大并在其上有子峰,隨雙折射的繼續(xù)增大,兩主峰間距增大而子峰變小。實驗結(jié)果與理論模擬基本吻合。

提出一種通過布拉格光纖光柵傳輸譜線計算其纖芯直徑和折射率的方法.實驗中采用較短波長的相位掩模板及紫外光照射載氫的單模光纖來寫布拉格光柵.通過測量lp01模與反向傳輸?shù)膌p01、lp02模耦合所對應(yīng)的損耗峰,并將對應(yīng)的兩中心波長分別帶入色散方程,來計算同時滿足布拉格光柵相位匹配條件的解,即可求出該光纖光柵纖芯直徑和折射率.這種方法為測量光纖光柵參數(shù)提供了一種新的途徑.

從布拉格光柵方程出發(fā),理論上分析了在溫度、應(yīng)變雙參量同時測量時,考慮溫度-應(yīng)變交叉靈敏度、二階應(yīng)變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應(yīng)變測量的誤差的一般數(shù)學(xué)公式.結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度和應(yīng)變的誤差計算,得出3個二階靈敏度在不同的溫度變化、應(yīng)變范圍內(nèi)對測量誤差的貢獻(xiàn)不同.同時給出了波長的漂移量與溫度、應(yīng)變呈線性關(guān)系時,溫度變化和應(yīng)變的范圍.

推導(dǎo)并驗證了非啁啾取樣光纖布拉格光柵(sfbg)反射譜中反射峰值波長的表達(dá)式?；诜N子光柵中心波長對應(yīng)的折射率調(diào)制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調(diào)制函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度和各階光柵周期,從而導(dǎo)出其反射峰值波長的表達(dá)式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)參量,因而表達(dá)式能夠描述反射峰的分布。仿真實驗中,不同占空比或取樣周期下計算出的反射峰值波長、信道間隔符合數(shù)值反射譜。該表達(dá)式既適用于均勻取樣光纖布拉格光柵,也適用于交流切趾和交直流切趾取樣光纖布拉格光柵。

采用光纖布拉格光柵(fbg)傳感器作為荷載監(jiān)測的應(yīng)變傳感器,建立實時、在位荷載識別的有效算法?；谝环N圖形化編程語言labview8.0在動態(tài)光纖光柵解調(diào)儀(sm130-700,moi)軟件平臺上開發(fā)了在線荷載監(jiān)測系統(tǒng),并應(yīng)用于翼型懸臂板的荷載監(jiān)測實驗。結(jié)果表明,該在線荷載監(jiān)測系統(tǒng)能夠高精度地識別荷載的位置和荷載大小,且有較好的容錯性。

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據(jù)鍍nifbg的特點,分析了鍍nifbg溫度變化時的應(yīng)力應(yīng)變,從理論上推導(dǎo)出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過實驗進(jìn)行了驗證,用理論證明了鍍nifbg的波長漂移、應(yīng)力和應(yīng)變與溫度變化成線性關(guān)系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關(guān)系。用an-sys軟件對鍍nifbg在溫度變化時的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了仿真。理論分析得到鍍層厚度為4.56μm的鍍nifbg的溫度靈敏度為14.3306pm/℃,實驗值為14.113pm/℃。理論、實驗和仿真得到了一致的結(jié)果。

兩電流產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個布拉格光柵的波長漂移差,得到被測電流。雙光纖布拉格光柵通過補償溫度效應(yīng),解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

基于光纖光柵傳感技術(shù),采用光纖光柵應(yīng)變計、光纖光柵溫度計、光纖光柵位移計對一座既有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動載試驗進(jìn)行了測試;對比分析了傳統(tǒng)傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)的測試結(jié)果。結(jié)果表明:傳統(tǒng)傳感器和光纖傳感器實橋測量結(jié)果與計算結(jié)果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實際受力狀態(tài);且光纖光柵傳感器可以真實反映加載的整個過程,實現(xiàn)加載過程的實時連續(xù)監(jiān)控。

采用數(shù)值模擬的方法研究了光纖布拉格光柵(fbg)的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性。從耦合模理論出發(fā),利用jacobi橢圓函數(shù)法得到了3種不同的解,首先對3種解下的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性分別進(jìn)行比較,然后針對各個解下的影響開關(guān)特性的失諧量、耦合系數(shù)和光柵長度等參數(shù)進(jìn)行分析,研究結(jié)果對于分析和構(gòu)建非線性雙穩(wěn)fbg光開關(guān)具有一定的意義。

提出了基于可調(diào)激光器和聲光脈沖調(diào)制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統(tǒng),同時利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結(jié)合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的傳輸距離,達(dá)到了300km的超長距離傳感。該系統(tǒng)通過前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來補償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長度時獲得了大于15db的優(yōu)良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應(yīng)變實驗中,線性度均達(dá)到了0.999以上。系統(tǒng)可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長距離遙測中得到廣泛應(yīng)用。

載流導(dǎo)線在磁場中產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵(fbg)的布拉格波長漂移。通過檢測2個fbg的波長漂移差,得到被測磁場的磁感應(yīng)強度。雙fbg通過補償溫度效應(yīng),解決了fbg傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對誤差為4.31%,結(jié)果表明,該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

根據(jù)耦合模理論,數(shù)值模擬了多模光纖布拉格光柵的傾斜角度對纖芯基模向纖芯高階模式的轉(zhuǎn)換問題.反射光譜的數(shù)值計算中,假定只有l(wèi)p01模式激發(fā)情況下lp01模式與lp11模式的轉(zhuǎn)換。

本文從理論上研究和分析了一種基于otdr和tdm技術(shù)的新型光纖布拉格光柵復(fù)用方法的復(fù)用能力。這種方法可以在同一根光纖上復(fù)用成百個全同的低反射率布拉格光柵,從而使布拉格光柵傳感器在航空航天健康監(jiān)測領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。分析表明,當(dāng)布拉格光柵的反射率足夠低時,系統(tǒng)的復(fù)用能力可以大大提高。因此,基于這種復(fù)用方法,可以實現(xiàn)廉價的大規(guī)模分布傳感系統(tǒng)。在評價這種系統(tǒng)的復(fù)用能力時,我們第一次提出應(yīng)該考慮光柵間多次反射光的干涉效應(yīng)的影響。

研究了具有高雙折射的光子晶體光纖(hbpcf)中均勻布拉格光柵(fbg)的光譜特性。利用緊湊的超格子模型,對光子晶體光纖的傳輸特性進(jìn)行分析,研究正向傳輸和反向傳輸?shù)哪Ｊ街g的耦合規(guī)律,從而研究寫入光子晶體光纖中的均勻布拉格光柵的特性。首先給出具有c6v對稱性的零雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的布拉格波長λb隨光纖結(jié)構(gòu)參量的變化規(guī)律;然后分析一種高雙折射光子晶體光纖中的光纖布拉格光柵的光譜特性,高雙折射使兩個不同偏振態(tài)的反射峰分開較大;最后分析了一種常用的雙模雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的光譜特性,lp01模和lpe11模的兩個偏振態(tài)對應(yīng)的反射譜都由于高雙折射而分開。