基于EFPI-FBG结构的光纤复合传感器研究

研究了一种基于非本征型Fabry-Perot干涉仪(EFPI)和光纤Bragg光栅(FBG)串联结构构成的EFPI-FBG光纤复合传感器,用于实现对压力和温度信号的同步测量。传感器选用熔融石英作为压力敏感材料,利用飞秒激光焊接技术实现传感器探头结构的封装。对传感器的工作原理进行了分析,制作并封装传感器工程样机,搭建测试系统,对传感器的性能进行了灵敏度及交叉敏感性分析。结果表明,该传感器在0.8 MPa范围内的灵敏度约为-0.729μm/MPa,在50℃~200℃范围的温度灵敏度为0.009 nm/℃,传感器压力测量最大允许误差为±4.12%FS。该EFPI-FBG复合传感器有望应用于压力—温度双参数测量需求的技术领域。     

差动式光纤Bragg光栅加速度计传感头设计与仿真

针对传统悬臂梁-质量块结构加速度计存在的灵敏度与固有频率不能兼顾的问题,设计一种差动式光纤Bragg光栅加速度计,建立系统模型,对测量精度等进行理论计算与分析.传感头设计采用主梁与微梁结合的结构,是悬臂梁-质量块结构的一种改进形式,并运用有限元方法对其静态特性和动态性能进行仿真分析.结果表明:该设计系统精度可以达到10.5×10-3g,固有频率为270Hz,固有频率是同等精度的传统悬臂梁结构光纤光栅加速度计的2.7倍;此结构的加速度计在不降低灵敏度的同时可以有效提高系统的固有频率.      

基于石墨烯膜的光纤Fabry-Perot腔干涉特性分析

针对以新型材料石墨烯为膜片的光纤法珀压力传感器,应用圆薄膜大挠度弹性理论,利用有限元法分析了均布载荷下石墨烯膜的挠度形变;并基于Fabry-Perot干涉仪原理,建立了光纤Fabry-Perot腔压力传感的数学模型.根据石墨烯膜折射率特性,分析了层数、入射光角度等参数对石墨烯膜反射率的影响,获取了腔长损耗以及薄膜挠度形变导致腔长变化而引起的干涉光谱变化规律.仿真结果表明,增加薄膜层数可提高反射率、改善干涉性能;但随着载荷增加,其对挠度形变的影响表现为反向递减效应.8层石墨烯薄膜可获得0.715%的反射率,且当腔长为40μm时,直径25μm薄膜的理论压力灵敏度约为10nm/kPa.这为基于多层石墨烯的膜片式光纤压力传感器的设计提供了理论依据.      

基于Sagnac干涉仪的保偏光纤拍长测试技术

分析了一种由单模光纤耦合器和保偏光纤组成的混合光纤Sagnac干涉仪的反射谱和透射谱,揭示了这种干涉仪的光谱调制特性.基于其透射光谱的极值点特征,提出了一种简单、高精度的保偏光纤拍长测试技术并进行了精度分析,确定了待测保偏光纤长度的优化参数;搭建实验系统进行了实际测试.实验结果和理论估计一致.研究表明:该技术操作方便、测量可靠,拍长测量精度可优于0.01 mm.     

基于低相干光的光子晶体光纤熔点背向反射测量

光子晶体光纤(PCF)与传统单模光纤熔接时斜切熔接可以大大减小熔点处反射,但是仍然存在微弱的残余背向反射,为了精确测量该残余背向反射大小,本文基于低相干光干涉测量原理提出了一种Mach-Zehnder与Michelson混合型干涉仪。基于该干涉仪,对包层直径125μm实芯光子晶体光纤与传统单模光纤斜8°熔点,以及包层直径100μm实芯光子晶体光纤与传统单模光纤斜8°熔点处的背向反射进行了测量,得到背向反射率分别为-52.12 d B和-49.35 d B,并获得了熔点的位置信息。该干涉仪为光子晶体光纤斜切熔点残余背向反射的精确定位和测量提供了工具和手段,为熔点质量的改善奠定了基础。     

分布式光纤振动传感器的自适应时延估计

针对传统的安全防卫系统存在监测距离较短、抗电磁干扰能力弱、维护成本高等缺点,设计了一种新型的分布式光纤振动传感器.传感器由双向马赫-泽德(M-Z, Mach-Zehnder)干涉仪构成全光纤的光路组成,通过光纤敏感入侵者的振动来进行传感和定位.实验测得传感器的信号为低通带限信号.根据传感器的信号特点,研究了基于最小均方(LMS, Least Mean Square)算法的自适应时延估计方法,给出了自适应算法的性能分析结果.建立了实验系统,现场试验结果表明自适应算法可实时地获取振动的位置,平均误差小于200m,已成功用于多个地区的安防报警系统.      

反射型保偏光纤温度传感器

基于保偏光纤中偏振模式干涉理论,提出了一种反射型保偏光纤温度传感技术并推导出传感方程,理论分析表明这种温度传感器精度高,可通过改变保偏光纤传感头长度的方法方便地调整测量范围.针对大型电力变压器绕组线圈的温度监测需要,利用特制的耐高温保偏光纤,在传感头和封装形式上进行了特殊设计,研制出实用的光纤温度传感器,其传感头满足了热油和高电压绝缘的要求.利用这种传感器进行了实际测试研究,基于模型线性化技术,在常温~180℃的温度范围内实现了线性输出.在冰水混合形成的绝对0℃环境下的稳定性测试表明其测量精度和稳定性均优于0.15℃.      

光纤读出的微光机电振动传感器

针对采用半导体工艺加工的微机械结构对振动进行测量的问题,提出了基微光机电系统(MOEMS)结构并采用光纤读出的振动传感器的设计方案,分析了该传感器的基本测量原理并推导了数学模型.该传感器采用单光纤的读出方式,利用固定于探测器敏感头前端的微结构感受待测物体的振动,通过测量由微结构振动引起的反射光强度的变化,实现对振动的测量.单光纤结构的使用和微结构参数的合理设计,使得该系统与传统的光纤读出系统相比,具有灵敏度高、尺寸小、易于同光纤匹配的特点.应用该系统对压电陶瓷的振动情况进行测量,可探测到0.18nm的位移.      

光纤陀螺光纤环Shupe误差的多参数影响仿真分析

在光纤陀螺Shupe误差数学离散公式的基础上,建立四极对称法绕制光纤环的有限元模型,分析多材料组成下的光纤环在仿真时所需的综合物性参数.结合光纤陀螺工作环境的载荷和边界条件,对某型光纤环进行数值仿真,定量分析了光纤陀螺在工作温度下光纤环的Shupe误差,验证了模型建立的正确性.在此条件下,分析光纤环的结构参数、热学参数和热扰动参数对Shupe误差的影响.结果表明:通过增加绕制层数,提高导热系数,合理布置热源,可以明显抑制光纤环的Shupe误差,从而提高光纤陀螺的温度性能.      

光纤陀螺随机调制的理论分析及实验

偏置稳定性是描述陀螺性能的重要指标,而电路中的交叉干扰是导致陀螺输出漂移的重要原因.采用随机调制的方法能够减小陀螺中交叉干扰产生的输出漂移.采用快速傅立叶变换(FFT)的方法对方波调制和随机调制产生的交叉干扰进行了分析,分析结果表明,采用方波调制时,交叉干扰与方波同频,无法滤除,导致陀螺输出的偏置误差以及陀螺输出对光强的依赖性;而采用随机调制,交叉干扰与方波频率不同,能够滤除,从而减小交叉干扰带来的随机漂移.采用的随机调制为-3π/2,-π/2,π/2,3π/2调制,能够保证陀螺工作点在灵敏度最高的偏置点上,其频谱主要成分为方波基波的偶次谐波,通过陀螺电路中的滤波,能够将其滤掉,消除交叉干扰对陀螺输出带来的干扰.对方波调制和随机调制分别进行了实验,通过实验,证明了该方法的正确性,得到了随机调制能够抑制光纤陀螺中由于交叉干扰产生的输出漂移的结论.     

单模光纤耦合器的传输光谱温度特性

在温变条件下,对光纤光源发出光波经单模光纤耦合器传输后的输出光谱进行了测试.借助测试结果,仿真计算了耦合器的透射光波和耦合光波分别进入Sagnac干涉仪后干涉仪输出信号的误差随温度的变化情况.结果表明:当环境温度发生变化时,耦合器透射光波和耦合光波的平均波长和功率都会发生变化,且透射光波的平均波长和功率的温度稳定性远远高于耦合光波的稳定性;当透射光波作为干涉仪输入光波时,由温变引起的干涉仪输出误差比耦合光波作为输入光波时的误差小一个数量级.     

数字闭环光纤陀螺动态特性测试研究

光纤陀螺是一种基于萨格纳克效应的新型角速度传感器,带宽远大于机械陀螺,不能用传统机械设备测试其动态特性. 根据全数字闭环光纤陀螺采用数字阶梯波反馈实现闭环工作原理,通过在集成光学调制器上叠加信号,用阶梯波引起的相位差代替外加角速度引起的相位差,设计了动态特性的数字测试方法. 从系统传递函数的推导中得到此方法的等效性, 并实测光纤陀螺的阶跃响应和频率响应,初步得到光纤陀螺带宽超过2kHz的结论.      

不等径纤维混杂复合材料混杂原理

对碳化硅-碳(SiCF-CF)/环氧和硼-碳(BF-CF)/环氧2种不等径纤维混杂复合材料的混杂模型和机理进行了初步研究.建立了三角形和四边形阵列的混杂模型;分析了材料制备工艺对混杂阵列、纤维体积含量的影响.      

分布式温度光纤传感器的研制与开发

分布式光纤传感器是一门具有重大价值的新兴技术,从其理论依据入手,全面介绍了该系统软硬件的实现过程,并对实验结果以及一些为了减小误差采用的新措施进行了对比分析.     

一种考虑过滤的短纤维增强复合材料RVE建模方法

代表性体积单元（RVE）法是短纤维增强复合材料性能预测的常用方法,其RVE生成效率是预测效率的重要影响因素。针对现有的随机顺序吸附（RSA）方法生成RVE时,布尔运算次数多、效率低的问题,通过在布尔运算前加入对纤维形心距的判断,过滤掉一部分随机生成的且与已有纤维相交的纤维,以减少布尔运算次数,提出了一种考虑过滤的随机顺序吸附（FRSA）方法。通过将改进后的FRSA方法在不同RVE参数和方法参数下生成RVE所需布尔运算次数和所需时间与基于布尔运算的随机顺序吸附（BORSA）方法进行比较,证明了FRSA方法的先进性。