武汉天兴洲大桥公路桥加速度监测技术研究

桥梁作为交通运输系统的枢纽工程,是生命线工程。通过动力监测,可及时判断大桥在地震和风震作用下的使用状况,为管理部门决策提供重要依据。本文以武汉天兴洲大桥公路桥为研究对象,结合项目的监测要求,用光纤光栅加速度传感器对大桥进行加速度监测,介绍了光纤光栅振动传感器的原理,并通过统计分析获得的现场测试数据,进而来评判结构是否处于健康的工作状态。     

用于结构整体与局部健康监测的光纤超声传感器

本文提出并展示了两种光纤超声传感系统,一种是基于菲索干涉仪的结构,另一种是类萨格奈克干涉仪的结构.当系统中光纤传感器采用长跨度光纤时,可实现结构整体内部是否有微裂纹所导致超声发射的情况监测.系统中的光纤传感器部分也可以选用一段短光纤或绕成一个光纤环,从而实现单点的局部探测.文中分析了作为传感的光纤与超声的相互作用.实验上,将1 m长的光纤作为一段直线传感器和绕成光纤环形点传感器分别埋入混凝土试件中,进行了10、25和50 kH超声测量实验.结果表明,这两种光纤传感器均具无损检测的应用潜力.尤其是长尺度光纤传感器更适合于监测大尺度混凝土建筑结构的由于内部微裂纹的发生及其发展情况,对于评估结构的健康状况具有十分重要的意义.     

前言

正本专辑系上一期"光纤传感技术专辑(1)"的继续。本专辑共发表8篇综述长文,其中4篇分别为氢气传感器、分布式光纤声波传感技术、光纤受激布里渊散射、蓝宝石衍生光纤及传感器研究进展,另4篇属"光纤上的实验室"(lab-on-fiber),具体内容如下:光纤类氢气传感器是光纤传感器研究热点之一。在电力设备健康监控、氢能源应用、地震监测等领域均有迫切需求。《面向应用的光纤氢气传感技术》一文依照光纤类氢气传感器的类型,分别综述微镜型、干涉型、消逝场型、光纤布拉     

拉锥光纤传感技术

拉锥光纤传感技术作为一种新兴的传感技术,在电力、石油化工、生化、航空航天、环保、国防等领域有着重要的应用价值并逐渐成为当前国际上的研究热点之一.与普通光纤相比,拉锥光纤的模场直径为微米或纳米量级,极大地增强了光在光纤中传输时的倏逝场,从而显著提高此类光纤传感器的灵敏度及响应速度,缩小了光纤传感器的尺寸,使其在传感应用中更具优势.该文分析并讨论了拉锥光纤传感器的理论基础、关键技术及相关应用.主要内容包括:1)阐述了微米光纤耦合传感器的原理、制备工艺及折射率和温度传感特性.2)讨论了单模-多模-单模及单模-拉锥多模-单模光纤结构的传感原理并实现了一种基于单模-拉锥多模-单模的高灵敏度折射率传感器.3)为拓展拉锥光纤传感器的应用范围并提高其空间分辨率,发展了一种半拉锥光纤传感器微探头.4)介绍了拉锥光纤在光通信及微操纵等方面的应用.     

面向应用的光纤氢气传感技术

光纤类氢气传感器因基于光学原理,具有本质安全和无电磁干扰的特性,成为氢气传感器研究的热点,在电力设备健康监控、氢能源应用、地震监测等领域均有迫切需求.依照光纤类氢气传感器的类型,分别综述了微镜型、干涉型、消逝场型、光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)型等4种不同光纤类氢气传感器的原理和研究进展.详述了近几年在光纤类氢气传感领域的工作,包括应用于高浓度氢气监测的钯合金型光纤氢气传感器、应用于中低浓度氢气报警的掺铂三氧化钨型光纤氢气传感器、应用于超低浓度痕量监测的三氧化钨-钯-铂纳米复合薄膜型光纤氢气传感器.对比3种技术方案的研究现状,分析需要解决的问题并对应用前景进行了展望.     

光纤光栅三维拉力传感器设计

基于光纤光栅传感技术设计了一种用于监测变电站套管受力状态的光纤光栅三维拉力传感器.通过有限元仿真和实验测量结合的方式，实现了三维拉力传感器解调的设计和测试，在3个方向的灵敏度为0.01～0.02 με·N^-1.对传感器进行加载测试，测试结果与加载结果基本一致，在600 N加载范围内平均误差为5.13%，光纤光栅三维拉力传感器能够实现对三维拉力的准确测量.     

光纤法珀传感解调方法研究进展

光纤法珀传感器是目前发展历史最长、应用最普遍、技术最成熟的一种光纤传感器，广泛应用于各类极端复杂的环境中，对其传感信息进行准确解调是实现高精度测量的关键。首先对光纤法珀传感技术的发展历程进行了回顾和评述，接着介绍了光纤法珀传感器的类型和基本传感原理，对光纤法珀传感器解调方法的研究进展进行了阐述，从强度解调和相位解调两方面分别介绍了强度解调法、光谱解调法和低相干干涉解调法。最后总结了各类解调方法的应用特点，为光纤法珀传感器高精度快速解调的研究与应用提供参考。     

微结构光纤表面等离子激元共振传感器的研究

基于光纤结构的表面等离子激元共振(surface plasmon resonance,SPR)传感技术是近年来光纤传感领域的研究热点.论述了SPR传感器的工作原理、调制方式和光纤SPR传感器的理论,介绍了本课题组在该领域的研究进展,包括利用光纤和毛细管SPR传感器、图像式光纤SPR传感器、多通道光纤阵列SPR传感器、自补偿SPR传感器、智能手机SPR传感器及啁啾倾斜光纤光栅SPR传感器等,总结了基于光纤微结构的SPR传感器的研究现状,分析了需要解决的问题,并对未来的发展趋势.     

波长编码型光纤传感器高精度解调技术研究进展

介绍了波长编码型光纤传感器高精度解调技术的最新研究进展，所涉及的解调技术能够实现对波长编码型光纤传感单元阵列的亚纳应变级分辨率的测量能力.首先回顾了光纤光栅应变传感技术，分析了高精度光纤应变传感器所选用的敏感元件；然后介绍了前馈式扫频激光线宽压缩技术和闭环轮询式探测技术，详述其理论原理、实现方案、性能指标；最后介绍了基于上述技术实现的高精度光纤应变传感系统实现地壳形变观测的应用实例，为各类高性能光纤传感器的研究与应用提供参考.     

微结构光纤分布式传感技术实现油井压裂监测

提出了一种使用聚酰亚胺涂敷、低羟基高纯石英玻璃微结构的散射增强型微结构光纤,用于监测和评估油井开采中水力压裂技术的过程与效果,该光纤对高温、高湿度、富氢环境有较好的耐受力.通过分布式传感系统测量了该光纤的散射增强效果,当光纤损耗为3 dB/km时,测量精度可以提高2～5倍,在实际油井压裂监测中,微结构光纤分布式传感系统...     

微结构光纤分布式传感技术实现油井压裂监测

提出了一种使用聚酰亚胺涂敷、低羟基高纯石英玻璃微结构的散射增强型微结构光纤,用于监测和评估油井开采中水力压裂技术的过程与效果,该光纤对高温、高湿度、富氢环境有较好的耐受力。通过分布式传感系统测量了该光纤的散射增强效果,当光纤损耗为3 dB/km时,测量精度可以提高2~5倍,在实际油井压裂监测中,微结构光纤分布式传感系统数据结果显示,可以对压裂效果实现监测并进一步指导压裂和暂堵工作。     

微结构光纤SPR传感器进展

光纤表面等离子体共振(surface plasmon resonance, SPR)传感器是未来SPR传感技术发展和系统微型化的自然延伸,但光纤型SPR传感器无法有效解决灵敏度低以及实现多通道测量困难两大瓶颈问题.近年来,该课题组借鉴微结构光纤构建微缩集成SPR传感器的思路,对微结构光纤SPR传感器技术进行了初步探索,其目的是既提高SPR传感器探测灵敏度,同时又解决生物化学传感的多通道测量这两个关键问题.利用微结构光纤实现SPR传感器,可极大地缩小SPR系统的体积,更易于光学器件在光纤中的集成,因而具有广阔的应用前景.     

偏心孔辅助的双芯光纤器件及其应用研究

随着光纤传感器不断在新领域的应用拓展,光纤传感器正面临许多新的挑战。利用特种光纤研制性能突出的光纤传感器已经成为研究热点。本文介绍了一种偏心孔辅助的双芯光纤的设计,并讨论了多种基于偏心孔辅助的双芯光纤器件的工作原理、制备方法及传感特性。     

基于开腔式马赫-曾德尔光纤干涉仪的高灵敏溶液浓度传感器

溶液浓度是表征溶液特性的关键参数之一，当监测和控制溶液浓度特性时，需要实时分析监测某些溶液的浓度。光纤传感器由于具有灵敏度高、结构小巧紧凑、响应速度快、抗电磁干扰及远距离实时检测等优点，广泛用于各种物理、化学以及生物测量传感。为了实现高灵敏的溶液浓度测量，通过大错位熔接技术将三段单模光纤制备成开腔式马赫-曾德尔(Mach-Zehndel, M-Z)光纤干涉仪，通过监测干涉条纹某一损耗峰的波长漂移，实现了溶液溶度高灵敏度的检测。实验结果表明，该开腔式光纤干涉型溶液浓度传感器结构小巧、可重复性高、灵敏度高，灵敏度为-25.27 nm/%。     

偏振型光纤应变传感器的理论分析

本文推导了一种可用于灵巧结构与灵巧蒙皮的偏振调制型光纤应变传感器的理论模型，研究了横向应变载荷作用下双折射光纤中应变对光的传播，光的双折射与旋光的影响，分析表明，传感器的感应长度与光纤中主光轴的原方向都使光以及传感灵敏度有较大影响．     

光纤传感器及其应用

光纤传感器以其极高的灵敏度和精度、固有的安全性、抗电磁场干扰、高绝缘强度、耐高温、耐腐蚀、质轻、柔韧、宽频带、集传感与传输于一体、能与数字通信系统兼容等突出特性广泛应用于机械、电子仪器表、航天航空、石油、化工、生物、医疗、环保、电力和军事等领域。一、光纤传感器的优点光纤传感器相比于其他传感器有着不可比拟的优越性。１ 光纤传感器和它的连接均由玻璃等绝缘材料制成 ,不存在电干扰问题。２ 光纤传感器很牢固。光纤玻璃的抗拉强度比钢都高。３ 光纤传感器的直径很小 ,重量很轻 ,可以用传统的表面处理技术和粘结剂极容…     

空间积分光纤应变传感器用于智能结构的振动检测

研究了空间分布的光纤应变传感器及其在振动检测中的应用,其原理是由结构的各种振型的分析,选择对不同模态具有不同灵敏度的传感光纤分布方式,以偏振光纤制成的此类传感系统成功地使用在受到外部随机激励的电流变结构的检测和控制中。     

光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器研究进展

光纤微腔传感器因本质安全、体积小、成本低、抗电磁干扰等优点，在光纤传感领域中获得了广泛关注.针对光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器可测参量多并可实现多参量同时测量的特点，重点介绍了光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器技术的研究进展，包括对温度、压力、液体折射率、氢气质量分数、有机挥发物质量分数等参量的测量，详细介绍了传感器的制作方法、传感原理和实验结果.     

基于强度调制的光纤激光折射率传感器

提出了一种基于光纤布喇格光栅与多模凹锥光纤级联结构的低探测极限光纤激光折射率传感器。采用光纤环形激光器内腔调制技术,获得了稳定、高边模抑制比和窄半峰全宽的激光信号,量化研究了有源结构下凹锥直径与液体折射率变化间响应关系。当凹锥直径为30.53μm时,最大折射率灵敏度可达-128.636 dB/RIU。考虑3σ噪声条件,实际探测极限可达8.49×10^-4 RIU。该传感器具有输出稳定和低温度串扰的优点,在生化传感和环境监测等方面具有潜在的应用前景。     

倾斜光纤光栅传感器

倾斜光纤光栅是一种光栅条纹与光纤法线存在一定角度的特殊光纤光栅.由于光栅倾角的引入,前向传导的入射光被有效激发至后向传导的包层模,并保留满足布拉格条件的后向传导纤芯模.经过各种新颖的结构设计、物理组合及生物化学材料修饰,倾斜光纤光栅可实现多种物理、机械、电磁、生物、医学、化学传感量的高精度检测,成为"光纤上的实验室"(lab-on-fiber)的重要组成和关键器件.该文系统介绍了倾斜光纤光栅的制作方法、模式耦合理论、传感机理与特性(特别是表面等离子共振技术)及近年发展起来的各种传感应用实例,包括机械类传感如弯曲、振动、位移等;电磁类传感如电场、磁场等;生物类传感如细胞、蛋白、血糖;化学类传感如气体、电活性微生物等.随着各种新功能材料和纳米加工技术的快速发展,基于倾斜光纤光栅的交叉学科研究快速发展,为进一步提高光纤传感器测量精度、拓展测量对象提供了重要支撑和广阔的发展空间.