光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器炮口初速測試技術(shù)

提出了一種基于fpga與dsp平臺(tái)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(hào)波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長計(jì)算等關(guān)鍵步驟來實(shí)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(duì)象的在線測量,并且可以實(shí)現(xiàn)光纖線路故障分析與定位的功能。實(shí)驗(yàn)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(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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(shí)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(bǔ)償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長度時(shí)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(hào)。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)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。

介紹了光纖布拉格光柵傳感器測溫的基本原理以及一些布拉格光纖的封裝方法,在此基礎(chǔ)之上探討了一種新型的布拉格光纖光柵的封裝方法即用鋼條對(duì)布拉格光纖光柵進(jìn)行封裝,并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)祼光柵和封裝后光柵的溫度特性進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)采用了恒溫水浴裝置,在25℃至70℃溫度范圍使用了中心波長為1530.5nm的光纖布拉格光柵進(jìn)行測量.先進(jìn)行了祼光柵的測量,在光柵封裝之后又進(jìn)行了測量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光纖光柵在封裝之后溫度靈敏度為裸光柵的2.5倍.其線性擬合度達(dá)到0.996.

對(duì)采用光纖布拉格光柵(fbg)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測某飛機(jī)機(jī)翼盒段外加載荷位置信息進(jìn)行了研究。研究了fbg傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器失效對(duì)外加載荷位置識(shí)別精度的影響程度;針對(duì)傳統(tǒng)fbg傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性低的缺點(diǎn),引入光開關(guān),設(shè)計(jì)了一種具有更高可靠性的傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并對(duì)這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,新傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性明顯高于傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性。單個(gè)傳感器的失效概率不同,兩種傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性差別也不同;當(dāng)單個(gè)元器件的失效概率在0.001~0.01之間變動(dòng)時(shí),若系統(tǒng)允許外加載荷位置識(shí)別誤差在5mm內(nèi),則新傳感器網(wǎng)絡(luò)的失效率降為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)失效率的50%;若系統(tǒng)允許外加載荷位置識(shí)別誤差在10mm內(nèi),則新傳感器網(wǎng)絡(luò)的失效率至少降低為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)失效率的12.5%。

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(shí)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(jì)算fbg檢測應(yīng)變與測點(diǎn)實(shí)際應(yīng)變的誤差及修正系數(shù)。并對(duì)固化于cfrp的fbg變傳感特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:fbgbragg波長對(duì)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(duì)fbg傳感器應(yīng)變傳感特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)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)。

為了實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)加速度信號(hào)的準(zhǔn)確測量,提出了一種新穎的雙懸梁fbg加速度傳感器。設(shè)計(jì)了傳感器的結(jié)構(gòu)及封裝方法,理論分析了傳感器的工作原理。實(shí)驗(yàn)研究了傳感器的線性響應(yīng)、溫度響應(yīng)、共振頻率和方向抗干擾特性,結(jié)果表明,傳感器的加速度響應(yīng)靈敏度為7.81pm/m/s2,相對(duì)誤差為2.62%,加速度與波長具有較好的線性關(guān)系,線性度為99.8%;在67.5～27.5℃內(nèi)進(jìn)行了溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),能有效消除溫度的影響;傳感器具有較好的平坦區(qū)和較強(qiáng)的抗干擾能力。

設(shè)計(jì)了一種基于雙光纖布拉格光柵的新型流速傳感器,它包括雙光纖光柵壓強(qiáng)傳感機(jī)構(gòu)和文丘里管。導(dǎo)出了雙光纖布拉格光柵的波長漂移差與流速的關(guān)系。壓強(qiáng)傳感機(jī)構(gòu)中的密閉鋁箔管橫截面兩邊的壓力差導(dǎo)致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(gè)布拉格光柵的波長漂移差,得到被測流體的流速。雙光纖布拉格光柵通過補(bǔ)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。該流速傳感器的動(dòng)態(tài)測量范圍為8～200mm/s。實(shí)驗(yàn)表明,雙光纖布拉格光柵的中心波長隨流速的增加分別向長波和短波方向漂移,而帶寬幾乎不變,實(shí)驗(yàn)和理論符合得較好,該設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的。

光纖傳感器作為一種線性的測試儀器,應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域時(shí),較傳統(tǒng)傳感器有更多的優(yōu)越性和更加廣泛的應(yīng)用前景。介紹了光纖bragg傳感器的工作原理及應(yīng)用,并通過混凝土試件的加載試驗(yàn),對(duì)fbg應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變計(jì)量測混凝土的應(yīng)變測量進(jìn)行了比較。提出準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器在現(xiàn)場應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)室中將得到更加廣泛的應(yīng)用。

基于光纖布拉格光柵傳感器的基本原理,對(duì)在土木工程中的應(yīng)用作了詳細(xì)的闡述;為進(jìn)一步了解其性能,對(duì)布拉格光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行了抗電磁干擾、抗零飄、重復(fù)性等性能進(jìn)行測試,并與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片做了對(duì)比,顯示了令人滿意的效果,為工程健康監(jiān)測應(yīng)用指出了廣闊的前景。

基于光纖布拉格光柵傳感模型,提出了一種懸臂梁與波登管相結(jié)合的光纖光柵壓強(qiáng)傳感器的組合設(shè)計(jì),推導(dǎo)了光纖布拉格光柵中心波長偏移量與壓強(qiáng)之間的解析關(guān)系式。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,壓強(qiáng)調(diào)諧光纖布拉格波長的靈敏度系數(shù)的理論值與實(shí)驗(yàn)值分別為0.2246nm/mpa、0.2218nm/mpa,在0~6mpa測壓范圍內(nèi),調(diào)諧范圍為1.35nm.

針對(duì)纜索局部埋植傳感器測試索力的特殊要求,特制光纖光柵應(yīng)變傳感器,傳感器封裝保證光纖光柵植入纜索的成活率,減敏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證纜索索力測試的大應(yīng)力監(jiān)測要求。針對(duì)應(yīng)變傳感器與鋼絲的2種連接方式,即傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)膠連接和特制的抱箍機(jī)械連接方式進(jìn)行了張拉性能測試。由標(biāo)定的傳感器力敏系數(shù)可知,在鋼絲產(chǎn)生5000×10-6的應(yīng)變變化下,光纖光柵實(shí)際中心波長變化不超過2900pm,達(dá)到了減敏效果,傳感器可以滿足大索力長期測試要求。

光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器

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

提出了一種基于級(jí)聯(lián)長周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級(jí)聯(lián)長周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個(gè)線性區(qū)監(jiān)測單個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號(hào)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但易受光源抖動(dòng)及系統(tǒng)其他不穩(wěn)定因素等帶來的系統(tǒng)噪聲的影響。為消除系統(tǒng)噪聲帶來的不利影響,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)系統(tǒng)利用級(jí)聯(lián)長周期光纖光柵的兩個(gè)線性區(qū)同時(shí)監(jiān)測兩個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號(hào)。分別用原系統(tǒng)及其改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測,實(shí)驗(yàn)的溫度測量范圍為-70～-115°c。原系統(tǒng)的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進(jìn)系統(tǒng)的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)系統(tǒng)能有效消除系統(tǒng)噪聲,提高系統(tǒng)的精度。

針對(duì)裸光纖布拉格光柵應(yīng)變監(jiān)測量程或精度有限的問題,提出了一種靈敏度系數(shù)可調(diào)光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)方法。理論和實(shí)驗(yàn)研究了該方法在增大光纖布拉格光柵應(yīng)變監(jiān)測量程或提高精度方面的性能,并以此研制了基片表面粘貼式和frp封裝式兩種封裝結(jié)構(gòu)的靈敏度系數(shù)可調(diào)應(yīng)變傳感器。理論分析并實(shí)驗(yàn)標(biāo)定了傳感器的靈敏度系數(shù)。最后,對(duì)傳感器理論和實(shí)驗(yàn)靈敏度系數(shù)誤差進(jìn)行了分析,指出了改進(jìn)的方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:兩種封裝結(jié)構(gòu)的大量程傳感器的量程分別增加了243%和126%,高精度傳感器的精度提高至0.51με和0.52με。傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)表明,兩種封裝結(jié)構(gòu)的傳感器都有很好的線性度和重復(fù)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999以上。

基于模態(tài)分析理論,對(duì)柔性立管模型進(jìn)行了渦激振動(dòng)試驗(yàn)測試技術(shù)研究。對(duì)立管表面應(yīng)變片的布置進(jìn)行了設(shè)計(jì),在模型試驗(yàn)中應(yīng)用光纖光柵傳感器對(duì)立管模型的應(yīng)變時(shí)歷進(jìn)行了測量,并據(jù)此計(jì)算得到了柔性立管模型的位移時(shí)間歷程和加速度時(shí)間歷程。試驗(yàn)對(duì)立管振動(dòng)的加速度進(jìn)行了測量,通過兩個(gè)加速度時(shí)間歷程的相互對(duì)比分析及與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了光纖光柵技術(shù)進(jìn)行柔性立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)的可行性及可靠性。

根據(jù)光纖布喇格光柵的光學(xué)傳感原理,提出了一種基于懸臂梁及金屬彈性膜片的光纖布喇格光柵沉降傳感器結(jié)構(gòu),對(duì)其傳感特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)通過產(chǎn)生水的液位差來模擬地基沉降,分析結(jié)果顯示,光纖布喇格光柵中心反射波長漂移對(duì)液位差呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,線性度高于0.999,靈敏度可達(dá)-2.11pm/mm.通過改變懸臂梁厚度和有效長度,可以對(duì)傳感器測量范圍和靈敏度進(jìn)行調(diào)整,以滿足各種應(yīng)用場合.綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,該傳感器在橋梁、鐵路地基等沉降監(jiān)測方面具有重要意義.

提出了基于光纖布拉格光柵(fbg)包層模式的折射率傳感方案。實(shí)驗(yàn)中,利用不同濃度的丙三醇水溶液作為外界折射率傳感溶液,采用氫氟酸溶液化學(xué)腐蝕的方法來減小光纖包層的直徑以增大包層模式對(duì)外界折射率的敏感度,研究了腐蝕后光纖布拉格光柵包層模式的耦合波長對(duì)外部折射率的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在1.3300~1.4584的折射率范圍內(nèi),包層模式耦合波長隨外界折射率增大而增大,在接近光纖包層折射率處具有很高的折射率靈敏度,最大達(dá)到了172nm/riu(refractiveindexunit)。而且,包層模諧振的光譜半峰全寬(約0.07nm)僅為布拉格纖芯模諧振光譜半峰全寬的1/4,能夠獲得更好的傳感精度。

研制了一種金屬環(huán)封裝的單柱體芯軸式光纖布拉格光柵(fbg)振動(dòng)傳感器,搭建了基于非平衡邁克耳遜干涉儀相位載波調(diào)制(pgc)解調(diào)技術(shù)的fbg振動(dòng)傳感器解調(diào)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了低頻振動(dòng)信號(hào)的高精度實(shí)時(shí)解調(diào),并分析了各參數(shù)對(duì)傳感器諧振頻率和靈敏度等特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,研制的fbg振動(dòng)傳感器諧振頻率為388hz,在10～200hz頻率范圍內(nèi),傳感器的加速度靈敏度約為81pm/g,且加速度響應(yīng)平坦,起伏小于1db,與理論分析結(jié)果基本一致。研制的振動(dòng)傳感器可實(shí)現(xiàn)200hz以下低頻振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測,解調(diào)系統(tǒng)的波長檢測精度為1.07×10-3pm,最小可檢測加速度為1.3×10-5g。

理論分析和模擬計(jì)算了少模光纖布拉格光柵基模及高階模的耦合與傳輸特性,得到在相同外部折射率變化情況下,少模光纖基模與高階模耦合對(duì)應(yīng)的布拉格波長變化,比正、反向基模之間耦合對(duì)應(yīng)的布拉格波長變化顯著增大。實(shí)驗(yàn)上制作了少模光纖布拉格光柵,測量了基模之間以及基模與高階模之間對(duì)應(yīng)的布拉格波長隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結(jié)果。而對(duì)于溫度變化對(duì)折射率測量結(jié)果干擾的問題,提出了通過計(jì)算布拉格波長差來克服溫度影響的方法。這些結(jié)果為采用布拉格光纖光柵測量外部折射率變化提供了一種新的途徑。

根據(jù)理想模展開下的耦合模方程,對(duì)光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達(dá)式。全面討論了光柵周期、光纖柵長、光致折射率微擾最大值等參數(shù)與光纖光柵反射光譜的關(guān)系。仿真結(jié)果顯示了固定參數(shù)下布拉格光柵的極限窄帶寬,得到的反射率為1、帶寬為0.02nm的窄帶寬布拉格光柵,比現(xiàn)今分布式傳感系統(tǒng)中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個(gè)數(shù)量級(jí)。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統(tǒng),可大大提高分布式傳感系統(tǒng)中光源的帶寬利用率,消除各信號(hào)間的相互串?dāng)_,提高傳感光柵復(fù)用數(shù)目,降低解調(diào)系統(tǒng)成本。

分析了適用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量的光纖光柵傳感器所應(yīng)滿足的條件,并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并制作了一種適用于工程化的光纖光柵動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器。對(duì)等強(qiáng)度水泥梁以及實(shí)際工程中的盧浦大橋等場合,用該光纖光柵應(yīng)變傳感器與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片傳感器進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光纖光柵應(yīng)變傳感器具有很高的精度