1 中国建筑第五工程局有限公司, 湖南 长沙 410004
2 桂林理工大学 地球科学学院, 广西 桂林 541004
针对大跨度空间索结构施工及运营阶段的索力监测难题, 基于光纤光栅应变敏感的特性, 利用“预应力原理”与凹槽封装技术,该文研制了一种内嵌封装大量程光纤光栅传感器的智能拉索, 解决了光纤光栅传感器工程应用易断裂及监测量程不足的缺陷。在此基础上对其进行张拉试验, 验证智能拉索的主要传感性能指标。试验结果表明, 光纤光栅传感器监测灵敏度约为0.002 66 nm/kN, 线性度误差≤2.86%, 迟滞误差≤1.53%, 重复性误差≤2.40%, 总精度误差≤4.03%, 监测量程可达到拉索极限承载力的80%。采用该技术, 利用光纤光栅传感器对某体育场馆索网结构的施工张拉进行实时监测, 并将光纤光栅传感器监测荷载与千斤顶张拉荷载进行对比, 索体张拉完成后两者误差仅为2.95%。该技术实现了拉索全生命周期、高精度的索力监测。
大量程光纤光栅传感器 智能拉索 张拉试验 监测性能 索力监测 large range fiber Bragg grating sensor intelligent cable tension test monitoring performance cable force monitoring
山东大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266237
提出了一种基于非对称马赫-曾德尔干涉（AMZI）和3D打印立体光刻树脂模块的大量程压力传感器，分析了传感器的特性，推导的公式表明传感器的灵敏度与单臂长度成正比，与衍射阶数成反比。在设计中，高灵敏度通过小的衍射级实现，AMZI压力传感器采用平面光波技术制造，压力块采用树脂（DM11）3D打印，测试灵敏度为0.3047 nm/MPa。
马赫-曾德尔干涉 压力传感器 大范围 高灵敏度 集成光学 激光与光电子学进展
2023, 60(19): 1923001
1 南开大学现代光学研究所, 天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室, 天津 300350
3 南开大学人民医院转化医学研究院, 天津 300121
针对石墨烯基的折射率传感系统中存在的大量程和高测量灵敏度无法兼得且仅能实现相对折射率测量的问题,提出了一种基于全内反射式的大量程绝对折射率测量方法。该方法仅通过一维线性运动,实现了大范围角度的精确调控。利用光学4f系统,保证了采样点位置不随入射角的变化而变化。不同入射角下的扫描测量方法的折射率测量范围理论上可以达到1~1.5168,通过对不同质量分数的氯化钙溶液的折射率进行测量,从实验上获得7.203×10 -4 RIU的测量灵敏度。
材料 全内反射 入射角扫描 绝对折射率 大量程 石墨烯
北京航天易联科技发展有限公司, 北京 100176
气体浓度检测一直是十分重要的工作, 它与人类生活、 环境变化和工业生产都息息相关, 尤其是有毒有害气体的检测。 随着光谱学的大力发展, 可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)已被广泛应用于工业生产、 环保监测、 气象探空等领域, 它具有灵敏度高、 响应速度快、 实时监测以及优秀的便携性等优点, 成为了气体检测的重要技术之一。 众所周知, 传感器在出厂前需要标定, 标定的好坏关系到传感器的测量精度, 影响传感器的实际测量。 对基于TDLAS技术的直接光谱标定算法进行了研究, 推导了适用于大量程范围下的气体浓度与透射率对数的关系并进行了简化处理, 提出了1/c拟合标定算法, 它是用气体浓度倒数与透射率对数倒数的关系来进行拟合标定的算法, 再通过拟合标定曲线反推气体浓度与透射率对数的关系。 搭建了TDLAS水汽检测平台, 以Vaisala HMT377在线湿度检测仪的水汽浓度值为标准值, 对0.7%~50%VOL的水汽浓度进行了标定, 比较了直接拟合算法和1/c拟合算法的结果和相对误差。 实验结果表明: 采用直接拟合算法对气体浓度与透射率对数曲线拟合, 一次函数、 二次函数和五次函数拟合相关系数为0.946 8, 0.996 7和0.999 9, 均方根误差为0.031 2, 0.007 8和0.001 6, 最大相对误差超过100%, 存在严重误差; 采用1/c拟合标定算法, 气体浓度倒数与透射率对数倒数的拟合曲线呈一次函数线型, 与理论相符, 相关系数为0.999 6, 均方根误差为0.490 1, 对拟合曲线进行反推得到气体浓度与透射率对数拟合曲线, 其相关系数为0.999 9, 均方根误差为0.0015, 整个浓度范围内最大相对误差不超过4%, 说明1/c拟合算法的有效性, 提高了测量精度, 扩大了标定量程范围。
大量程 标定 拟合算法 TDLAS Large range Calibration Fitting algorithm TDLAS 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3665
1 吉林省教育学院，吉林 长春 130022
2 吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130061
3 应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085
针对低频振动检测的需求，研制了一种基于柔性铰链的光纤光栅(FBG)振动传感器，实现了在一定范围内对低频信号的高精度测量。根据传感器的理想结构模型，结合力矩平衡方程和拉格朗日方程给出了传感器的灵敏度和固有频率的计算方法，并采用ANSYS软件对传感器的结构进行有限元分析，得到了一阶谐振频率为92.457 Hz。通过性能测试试验，传感器在0.5~55 Hz这个频率范围内平坦度好，固有频率为91 Hz，与有限元分析结果一致，灵敏度为1.94 nm/g，线性度为99.99%。其纵向灵敏度远优于横向灵敏度，具备较强的横向抗干扰能力。
振动传感器 柔性铰链 高灵敏度 大量程 vibration sensor FBG FBG flexible hinge high sensitivity large range 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200340
北京理工大学 光电学院 “精密光电测试仪器及技术”北京市重点实验室， 北京 100081
针对传统共焦显微技术中轴向扫描范围和扫描速度无法兼顾的问题，提出一种基于虚拟针孔探测的大范围分光瞳激光差动共焦显微快速定焦方法。通过分光瞳原理，将偏心光束法定焦和分光瞳虚拟针孔探测技术相结合，先利用激光光斑在CCD上的位置和样品位置的对应关系实现大范围的粗略定焦，再通过虚拟针孔差动传感实现高精度定焦，从而实现轴向大范围快速定焦。实验表明该方法轴向分辨力可以达到10nm，最大传感范围可达到70um，定焦速度是传统定焦方法的3.6倍。
光学测量 大范围 分光瞳 快速定焦 optical measurement large range divided-aperture fast focus identification
针对很多大型工程结构存在大变形但仍可以发挥功能性作用的特点,基于光纤弯曲损耗传感原理,设计了一种可用于位移测量的大量程、结构简单的线性传感器。从理论上证明了测量位移与光纤弯曲损耗之间的线性关系,并推导出表达式,开展了一系列标定试验和性能试验。试验结果表明,该传感器的测量范围为0~200 mm,灵敏度为0.1668 dB·mm -1,最小分辨位移为0.06 mm,重复性误差为0.26%,迟滞性误差为2.22%。所设计的传感器可用于结构的开裂测量和大型工程的连续监测,具有良好的应用前景。
光纤光学 位移传感器 弯曲损耗 大量程范围 结构监测 光学学报
2020, 40(12): 1206002
陆军工程大学通信工程学院, 江苏 南京 210007
针对光纤链路大量程、高精度时延的测量要求,提出了秒脉冲信号与频率信号同波长共传方案。该方案将秒脉冲计数法粗测与频率信号比相法细测的结果拼接组合,以实现对光纤链路真时延的高精度测量。搭建了实验测量系统,验证了粗、细测量结果的一致性,测量了剧烈温变条件下25 km光纤链路的绝对时延及其时延变化。实验结果表明,该方法能够将脉冲计数法的大量程优势和相位测量法高分辨率优势有效融合。
光纤光学 时延测量 大量程 分辨率
1 桂林理工大学 广西有色金属隐伏矿床勘查及材料开发协同创新中心, 广西 桂林541004
2 广西岩土力学与工程重点实验室, 广西 桂林 541004
设计了一种在预应力钢绞线中心丝上设置倾斜凹槽封装光纤光栅的自感知钢绞线, 以解决体内预应力钢绞线其它传感器无安装空间, 易碎断导致封装成活率低以及监测量程不够等技术难题.理论分析了不同凹槽倾角封装的光纤光栅传感器的监测应变与钢绞线应变, 根据复合材料剪滞模型理论建立了二者之间的应变关系.以倾角为变化参数, 研制了系列光纤光栅自感知钢绞线, 并对其进行张拉试验, 测定光纤光栅传感器量程的变化情况.试验结果表明：该方法能有效扩大光纤光栅传感器的监测量程, 当倾斜角度为30°时, 所能监测的应变范围与0°相比, 提高了44%.采用该技术, 利用光纤光栅传感器对某高速公路预应力箱梁的施工张拉及服役进行实时监测, 传感器成活率为100%, 同时将光纤光栅的理论及标定应变关系与现场张拉及二次张拉的数据进行对比, 误差均在5%以内.该技术实现了对体内预应力钢绞线施工张拉和服役全生命周期的监测.
光纤光栅传感器 自感知钢绞线 倾斜凹槽 大量程监测 应变传递 FBG sensor Self-sensing steel strand Slant groove Large range monitoring Strain transfer
