光纖布喇格光柵在高速鐵路異物侵陷監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

闡述了由耦合模理論得到的光纖布喇格光柵的反射率的表達式,并且由此表達式導(dǎo)出了光纖布喇格光柵的反射特性和反射中心波長。理論分析了反射波長λ、光柵柵距λ,折射率微擾的最大值δnmax,光柵區(qū)長度l和反射率rg之間的關(guān)系。

光纖布喇格光柵(fbg)封裝技術(shù)是光器件集成化中的一項關(guān)鍵技術(shù)。提出了一種全部注膠的封裝方案,由于膠水固化時所產(chǎn)生的應(yīng)力使得光纖布喇格光柵的性能出現(xiàn)劣化,反射譜和透射譜出現(xiàn)多峰。在第二套封裝方案中,通過減少注膠范圍和增加保護結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了性能良好的封裝方案,fbg反射譜和透射譜形狀均正常。

該文闡述了光纖光柵傳感器工作原理、使用特性及優(yōu)點,結(jié)合混凝土隧道的施工特點,提出了光纖光柵監(jiān)測方案和監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及其在公路隧道安全監(jiān)測中的應(yīng)用。

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),對其傳感特性進行了實驗研究.實驗通過產(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-2.11pm/mm.通過改變懸臂梁厚度和有效長度,可以對傳感器測量范圍和靈敏度進行調(diào)整,以滿足各種應(yīng)用場合.綜合實驗結(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.

介紹紫外光刻法制作微納光纖布喇格光柵(mf-bg)的制作工藝,測量并分析不同直徑的微納光纖布喇格光柵的反射譜。數(shù)據(jù)表明隨著微納光纖的直徑變小,光纖光柵的中心波長藍移且反射強度也隨之減小。仿真計算微納光纖的有效折射率和光纖纖芯的束縛能力(即基模分布在纖芯的能量與基模全部能量的比值),來解釋上述變化。

由于各種光噪聲的影響,基于可調(diào)諧法布里-珀羅(f-p)濾波器的光柵解調(diào)儀解調(diào)精度不夠高,光路噪聲通常會帶來10pm量級的波長測量誤差。為了提高布喇格波長檢測精度,采用了在解調(diào)過程中對光纖光柵反射譜進行高斯擬合,從而消減噪聲影響的方法。實驗發(fā)現(xiàn),擬合后中心波長的測量誤差小于2.5pm,溫度測量值與實際溫度之間的標準方差為0.3℃。結(jié)果表明,在有害噪聲信號不是非常大的情況下,該方法能有效提高波長檢測精度。

為了實現(xiàn)對海水溫度監(jiān)測,設(shè)計了一套浮標式光纖布喇格光柵遠程測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了fbg傳感技術(shù)和labview技術(shù),以pc機、無線數(shù)傳模塊、工控機、解調(diào)儀等為主要硬件搭建。實現(xiàn)了傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、顯示、存儲及浮標定位等功能。通過海試證實了系統(tǒng)的可行性及可靠性,同時該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中體現(xiàn)了便捷,快速的優(yōu)勢。

實驗研究了側(cè)向擠壓作用下的光纖布喇格光柵(fbg)產(chǎn)生的應(yīng)力雙折射現(xiàn)象,提出了一種消除橫向應(yīng)力對溫度交叉敏感的簡單而又有效的方法,從理論和實驗上進行了分析與驗證。研究表明,對fbg施加側(cè)向擠壓產(chǎn)生的雙折射導(dǎo)致普通光纖布喇格光柵存在兩個滿足布喇格條件的反射光譜,且雙峰間距在100℃的溫度范圍內(nèi)變化了0.055nm,利用該雙峰間距的變化可消除溫度傳感中橫向應(yīng)力對它的交叉敏感,實現(xiàn)對溫敏系數(shù)的修正及溫度的校正,實驗中測得的原始溫敏系數(shù)是0.0138nm/℃,對溫敏系數(shù)修正了0.005nm/℃,對變化的溫度校正了4℃。

由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺寸小、容量大、準分布式測量,并且可以實現(xiàn)遠距離長期監(jiān)測與傳輸?shù)奶攸c,其在結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測中得到日益廣泛應(yīng)用。文中論述了在大型裝卸設(shè)備翻車機中引入結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測的必要性,概述了光纖光柵傳感技術(shù)的基本原理,并以翻車機為例,介紹結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù),包括溫度補償、基于有限元分析的測點分布、數(shù)據(jù)采集與處理和安全預(yù)報警。

設(shè)計了一種基于雙光纖布喇格光柵的新型液位傳感器,導(dǎo)出了雙光纖布喇格光柵的波長漂移差與液位的關(guān)系。圓盤上受到的液體壓力導(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喇格光柵的布喇格波長漂移。通過檢測兩個布喇格光柵的波長漂移差,得到被測液位。雙光纖布喇格光柵通過補償溫度效應(yīng),解決了光纖布喇格光柵傳感器的交叉敏感問題。該液位傳感器的動態(tài)測量范圍為2～3000mm。實驗表明,雙光纖布喇格光柵的中心波長隨液位的增加分別向長波和短波方向漂移,而帶寬幾乎不變,實驗和理論符合較好,該設(shè)計方案是切實可行的。

給出了光纖光柵各種制作方法間的相互關(guān)系框圖。用matlab數(shù)值仿真方法研究了光柵初始寫入?yún)?shù)對其峰值反射率和反射帶寬的影響規(guī)律。此外分析了波分復(fù)用系統(tǒng)中傳感光柵峰值反射率對其測量范圍的影響,以及通信系統(tǒng)中光柵濾波器的波長選擇問題。研究結(jié)果有助于指導(dǎo)光柵制作,并根據(jù)具體應(yīng)用場合的需求選擇光柵參數(shù)。

目前,水利水電工程中的長隧洞越來越多,傳統(tǒng)的差動電阻式和振弦式等監(jiān)測儀器已很難滿足長隧洞監(jiān)測的需要。結(jié)合牛欄江-滇池補水工程,介紹了光纖光柵儀器在長隧洞監(jiān)測中的應(yīng)用,結(jié)果表明光纖光柵儀器能滿足長隧洞監(jiān)測的需要。

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.

光纖傳輸系統(tǒng)本身有網(wǎng)絡(luò)管理、保護倒換功能,但不支持對光纖特性的監(jiān)測,當光纜出現(xiàn)故障時,無法確定故障位置而進行快速修復(fù)。常規(guī)的人工測量光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)方式已不適應(yīng)鐵路通信系統(tǒng)對光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)性能分析和管理維護的要求。光纖在線自動監(jiān)測系統(tǒng)與常規(guī)監(jiān)測方式相比具有很大優(yōu)越性,它的應(yīng)用將為線路的運行維護人員提供了一個自動化的維護與測試平臺,實現(xiàn)了光纖通訊維修體制從"故障修"到"狀態(tài)修"的轉(zhuǎn)變。

針對路基沉降變形監(jiān)測工程中存在的耗費大量人力，無法實時掌握路況信息的問題，研制開發(fā)了溫度不敏感型尤纖光柵沉降位移傳感器，其量程達到100mm，測量精度0．1mm。對兩個多月的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析表明，光纖沉降位移傳感器實時反映了路基面的沉降狀況，尤其對降水等因素引起的路基面沉降速率的變化能夠及時準確的響應(yīng)。

針對路基沉降變形監(jiān)測工程中存在的耗費大量人力,無法實時掌握路況信息的問題,研制開發(fā)了溫度不敏感型光纖光柵沉降位移傳感器,其量程達到100mm,測量精度0.1mm。對兩個多月的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析表明,光纖沉降位移傳感器實時反映了路基面的沉降狀況,尤其對降水等因素引起的路基面沉降速率的變化能夠及時準確的響應(yīng)。

光纖光柵技術(shù)在橋梁測試中的應(yīng)用研究——光纖光柵技術(shù)是一種新型的橋梁測試技術(shù)。概述光纖光柵傳感器的基本原理、特點以及國內(nèi)外研究應(yīng)用情況；研究光纖光柵技術(shù)在拉索索力長期監(jiān)測中的應(yīng)用，開發(fā)了長期穩(wěn)定性好、不受電磁場干擾、可實現(xiàn)分布式測量以及適宜遠距...

為了實現(xiàn)對整個艦艇結(jié)構(gòu)狀態(tài)長期實時的監(jiān)控,構(gòu)建了基于光纖布喇格光柵傳感器的監(jiān)控系統(tǒng),設(shè)計了系統(tǒng)總體硬件電路,給出了系統(tǒng)軟件工作流程和尋峰算法流程,并最終完成了對系統(tǒng)的功能驗證。經(jīng)驗證,系統(tǒng)實現(xiàn)了多通道同步實時校準的波長解調(diào)功能,掃描頻率可達4khz,能夠快速響應(yīng)監(jiān)控狀態(tài),可直接進行工程應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,傳感技術(shù)也是得到質(zhì)的飛躍,光纖光柵傳感技術(shù)與傳統(tǒng)傳感技術(shù)相比有著很多優(yōu)勢,因此在很多行業(yè)中得到了應(yīng)用。文章就對光纖光柵傳感技術(shù)做一個簡單地分析,同時介紹了其在一些領(lǐng)域的具體應(yīng)用。

提出了一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級聯(lián)長周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個線性區(qū)監(jiān)測單個光纖布拉格光柵傳感信號。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低等優(yōu)點,但易受光源抖動及系統(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,對該系統(tǒng)進行了改進。改進系統(tǒng)利用級聯(lián)長周期光纖光柵的兩個線性區(qū)同時監(jiān)測兩個光纖布拉格光柵傳感信號。分別用原系統(tǒng)及其改進系統(tǒng)對溫度進行監(jiān)測,實驗的溫度測量范圍為-70～-115°c。原系統(tǒng)的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進系統(tǒng)的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實驗結(jié)果表明改進系統(tǒng)能有效消除系統(tǒng)噪聲,提高系統(tǒng)的精度。

針對電類傳感器難以滿足橋梁結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測要求的問題,提出利用光纖光柵振動傳感器對橋梁的振動狀態(tài)進行監(jiān)測,并通過理論和實驗結(jié)果論證了方案的可行性。光纖光柵傳感器在滿足頻率測量范圍、溫度適應(yīng)范圍等要求的同時,兼具抗電磁干擾、外形結(jié)構(gòu)簡單、布設(shè)方便、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)勢,具有良好的工程應(yīng)用前景。

隨著中國地下工程的快速發(fā)展,深基坑安全監(jiān)測及變形預(yù)測已成為巖土工程領(lǐng)域的重要課題之一,以太原火車站調(diào)蓄池項目為例,為了能夠在基坑施工中進行實時監(jiān)測預(yù)警,及時加強防護,將光纖光柵傳感器用于基坑深層水平位移監(jiān)測,截取2017年11月份上旬的監(jiān)測數(shù)據(jù),結(jié)果表明,該基坑深層水平位移變化值隨著開挖深度的增加而增大,最大值為18.6mm,同時1號測點和3號測點變化值大致相同,而2號測點變化值相對較大.