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分布式光纤传感技术研究和应用的现状及未来

光学学报 2024年第1期44卷 3-65页

作者：张旭苹张益昕王亮余贶琭刘波尹国路刘琨李璇李世念丁传奇汤玉泉尚盈王奕首王晨王峰樊昕昱孙琪真谢尚然吴慧娟吴昊王花平赵志勇南京大学智能光感知与调控技术教育部重点实验室江苏南京210023 华中科技大学光学与电子信息学院湖北武汉430074 北京交通大学信息科学研究所北京100044 之江实验室光纤传感研究中心浙江杭州311100 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室重庆400044 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 中国电力科学研究院有限公司北京100192 中国煤炭地质总局勘查研究总院北京100039 中油奥博(成都)科技有限公司四川成都611731 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室安徽合肥230031 齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院激光研究所山东济南250104 厦门大学航空航天学院福建厦门361005 上海交通大学电子信息与电气工程学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室上海200240 北京理工大学光电学院信息光子技术工信部重点实验室北京100081 电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室四川成都611731 兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州730000

我国大型基础设施的建设规模已多年位居世界之首,分布式光纤传感技术(DOFS)作为大型基础设施健康状态实时监测最有潜力的技术,近年来得到了迅速发展。针对DOFS在技术和应用的突破上面临的挑战,在介绍DOFS各技术基本工作原理、发展历史... 详细信息

我国大型基础设施的建设规模已多年位居世界之首,分布式光纤传感技术(DOFS)作为大型基础设施健康状态实时监测最有潜力的技术,近年来得到了迅速发展。针对DOFS在技术和应用的突破上面临的挑战,在介绍DOFS各技术基本工作原理、发展历史、现状以及典型应用原理和方案等的基础上,对其工作新机理、系统设计方案、研究发展方向等进行了阐述和讨论。

关键词：光纤光学分布式光纤传感技术光时域反射仪光频域反射仪干涉型分布式光纤传感

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分布式本征型法布里-珀罗传感器的研究

物理学报 2015年第5期64卷 110-115页

作者：桂鑫胡陈晨谢莹李政颖武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室武汉430070 武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室武汉430070

本文介绍了一种单模-多模-单模结构的本征型法布里-珀罗传感器,通过对传感器中渐变型多模光纤的光场分布进行分析和仿真,实现了传感器腔长的优化设计,大大降低了插入损耗,增强了传感器复用能力.实验证明串联复用中的单个传感器的优化后... 详细信息

本文介绍了一种单模-多模-单模结构的本征型法布里-珀罗传感器,通过对传感器中渐变型多模光纤的光场分布进行分析和仿真,实现了传感器腔长的优化设计,大大降低了插入损耗,增强了传感器复用能力.实验证明串联复用中的单个传感器的优化后的插入损耗从4 d B减少至0.83 d B,多个级联复用时损耗变化平缓,温度测试结果表明级联的12个传感器均具有较好的灵敏度和线性度.

关键词：光纤传感器本征型法布里-珀罗传感器分布式传感

基于色散效应的光纤光栅高速高精度解调方法研究

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物理学报 2017年第1期66卷 112-120页

作者：李政颖周磊孙文丰李子墨王加琪郭会勇王洪海武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室武汉430070 武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室武汉430070

利用普通单模光纤(SMF)与色散补偿光纤(DCF)分别具有正色散和负色散系数特性,实现光纤光栅阵列的高速高精度解调.系统采用全光纤结构,仅需发出单一高速光脉冲,即可根据反射光脉冲时延差同时获取各个光栅的波长与位置信息,大幅提高了光... 详细信息

利用普通单模光纤(SMF)与色散补偿光纤(DCF)分别具有正色散和负色散系数特性,实现光纤光栅阵列的高速高精度解调.系统采用全光纤结构,仅需发出单一高速光脉冲,即可根据反射光脉冲时延差同时获取各个光栅的波长与位置信息,大幅提高了光纤光栅解调速度;通过建立DCF-SMF双通道和色散差矫正模型,削弱了温度变化及色散值误差对系统解调精度的影响.实验表明,本方法解调速率可达1 MHz,解调过程受传感网络光纤及双通道温变影响较小,具有良好稳定性及高精度;5—75?C温度扰动实验中,传感网络传输光纤温变时系统解调均方差16.8 pm,DCF-SMF双通道受温度扰动时系统解调均方差为11.9 pm,恒温下系统长时间解调时均方差为6.4 pm;应力实验中,解调线性度可达0.9998,解调精度约为8.5 pm.

关键词：光纤传感普通单模光纤色散补偿光纤高速高精度

基于连续扫频光时域反射的全同弱光栅高速解调方法

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物理学报 2016年第20期65卷 129-138页

作者：王一鸣胡陈晨刘泉郭会勇殷广林李政颖武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室武汉430070 武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室武汉430070

具有大容量复用能力的全同弱反射光栅已成为光纤传感领域的研究热点,然而现有的全同弱光栅时分复用解调技术存在解调复杂和响应时间长等问题.针对此问题,本文提出了一种连续扫频光时域反射的高速解调新方法.不同于光时域反射的脉冲光,... 详细信息

具有大容量复用能力的全同弱反射光栅已成为光纤传感领域的研究热点,然而现有的全同弱光栅时分复用解调技术存在解调复杂和响应时间长等问题.针对此问题,本文提出了一种连续扫频光时域反射的高速解调新方法.不同于光时域反射的脉冲光,本方法采用的是连续光扫频,利用光传输延时来实现不同位置的全同光栅在时域上的分离,利用光谱扫频实现光栅波长信息的解调,在系统解调工作阶段,一次扫频就能同时获取所有光栅的位置信息和完整的反射光谱波长信息.针对光谱高速扫频情况下光传输延时所引入的光栅波长解调误差,本文提出在系统初始阶段采用延时校准方法,通过不同的光谱扫频速度,获取各个光栅固有的延时时间参量,确定各光栅位置,消除光传输延时,完成各光栅的波长解调.实验对18个全同弱光栅组成的传感网络进行了初始校准、静态温度和动态振动实验,结果表明,对全同弱光栅的解调误差小于15 pm,分辨率1 pm,线性度达0.998,系统可分析60 kHz内的频谱信息,解调频率高达120 kHz.

关键词：全同弱反射光栅连续扫频光高速解调延迟校准

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基于色散补偿光纤的高速光纤光栅解调方法

物理学报 2015年第23期64卷 134-138页

作者：李政颖孙文丰李子墨王洪海武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室武汉430070 武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室武汉430070

本文提出并论证了一种光纤光栅高速解调的新方法,利用色散补偿光纤的色散效应,将光纤光栅的波长漂移信息转换成时域信息.采用脉冲激光器作为光源,仅需一个光脉冲可获取单根光纤上所有光纤光栅的反射光脉冲,再根据各个光栅反射回光脉冲... 详细信息

本文提出并论证了一种光纤光栅高速解调的新方法,利用色散补偿光纤的色散效应,将光纤光栅的波长漂移信息转换成时域信息.采用脉冲激光器作为光源,仅需一个光脉冲可获取单根光纤上所有光纤光栅的反射光脉冲,再根据各个光栅反射回光脉冲的延时变化即可实现波长的解调.本方法可用于准分布光纤光栅传感网络解调,系统采用全光纤结构,无需波长扫描,大大提高了解调速度.本文搭建了测试系统进行实验验证,对3个光纤光栅组成的准分布式传感网络进行了解调,实验结果表明,解调出的光纤光栅布喇格波长线性度好,解调速度最高可达1 MHz,采样数据取10次平均后解调线性度可达0.9969,解调误差约为27.8pm.

关键词：光纤光栅波长解调色散高速

新型有机-无机纳米复合粒子的制备及其固定化漆酶研究

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高等学校化学学报 2006年第11期27卷 2088-2091页

作者：黄俊王军涛李斌肖海燕刘诚丁莉芸姜德生武汉理工大学光纤传感技术研究中心光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室武汉430070

制备了四氨基酞菁钴(CoTAPc)-Fe3O4纳米复合粒子,用红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)、X射线能谱(EDS)、场发射扫描电镜(FEG-SEM)及振动样品磁强计等对其进行了表征.结果表明,形成了CoTAPc包覆在Fe3O4纳米粒子表面的纳米复合粒子.粒子呈现... 详细信息

制备了四氨基酞菁钴(CoTAPc)-Fe3O4纳米复合粒子,用红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)、X射线能谱(EDS)、场发射扫描电镜(FEG-SEM)及振动样品磁强计等对其进行了表征.结果表明,形成了CoTAPc包覆在Fe3O4纳米粒子表面的纳米复合粒子.粒子呈现不规则球形,平均粒径为70 nm,矫顽力为316.4A/m,接近超顺磁性.以此纳米复合粒子作为载体,通过交联法固定漆酶,固定化酶最适反应温度为45℃,最适pH为3;固定化酶比游离酶具有更好的热稳定性、贮存稳定性及操作稳定性,且易于分离.

关键词： CoTAPc—Fe3O4纳米复合粒子漆酶固定化

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光纤气体传感器解调方法的研究

物理学报 2009年第6期58卷 3821-3826页

作者：李政颖王洪海姜宁程松林赵磊余鑫武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室武汉430070

利用可调谐激光光谱技术并结合二次谐波检测的波长调制方法对气体浓度进行检测,大大提高了检测灵敏度.然而光的传输和电路自身延时都会产生未知的相位延时,含有气体浓度信息的被测信号和二倍频参考信号的相位差变化严重影响二次谐波信... 详细信息

利用可调谐激光光谱技术并结合二次谐波检测的波长调制方法对气体浓度进行检测,大大提高了检测灵敏度.然而光的传输和电路自身延时都会产生未知的相位延时,含有气体浓度信息的被测信号和二倍频参考信号的相位差变化严重影响二次谐波信号测量结果.本文设计出一种4路乘法锁相解调电路,设计中分别用正弦信号和余弦信号对被测信号进行解调,经积分电路后得到两路分别与相位差的正弦值和余弦值相关的解调信号.将两路解调信号平方,再通过加法器相加后消除相位差,得到完全与相位差无关的幅值信号.实验证明当被测信号相位在0°—90°变化时,解调得到的二次谐波信号保持不变,很好地提高了系统检测结果的稳定性.

关键词：可调谐半导体激光吸收光谱波长调制解调电路相位差

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基于光纤陀螺的桥梁微小形变检测技术

中国惯性技术学报 2016年第3期24卷 415-420页

作者：甘维兵胡文彬张瑶刘芳李盛符晶华武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室武汉430070 武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室武汉430070

桥梁是现代交通运输业最重要的组成部分,形变又是评价桥梁结构健康状况最重要的指标之一。考虑到传统形变检测技术存在诸多不足,为了实现桥梁微小形变的快速、连续检测,准确直观地定位桥跨最大下挠处,提出了基于光纤陀螺(FOG)的微小形... 详细信息

桥梁是现代交通运输业最重要的组成部分,形变又是评价桥梁结构健康状况最重要的指标之一。考虑到传统形变检测技术存在诸多不足,为了实现桥梁微小形变的快速、连续检测,准确直观地定位桥跨最大下挠处,提出了基于光纤陀螺(FOG)的微小形变检测新方法,设计出了基于FOG的桥梁连续线形检测系统(CDMS)。通过对标定路段和大型跨江桥梁结构线形进行测试,并辅以水准仪进行数据比对,结果表明:对于100 m的标定路段,检测精度可以达到5 mm;对于跨径为400 m的跨江大桥,检测精度可以达到2 cm。基于FOG的线形检测系统在桥梁结构测试过程中,无需封路,不影响交通,具有方便、快捷、测量点连续、精度高等特点,尤其是在大跨桥梁的微小形变检测中具有传统技术无可比拟的优势。

关键词：桥梁工程微小形变光纤陀螺连续线形最大下挠

CuTAPc-Fe_3O_4纳米复合粒子及其漆酶固定化研究

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化学学报 2005年第14期63卷 1343-1347,i005页

作者：黄俊周菊英肖海燕龙胜亚王军涛武汉理工大学光纤传感技术研究中心光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室武汉430070

漆酶的固定化研究对基于漆酶催化的光纤生物传感器具有十分重要的意义.制备了四氨基酞菁铜(CuTAPc)-Fe3O4纳米复合粒子,并用红外(IR)、场发射扫描电镜(FEG-SEM)、X射线衍射(XRD)、能谱、粒径仪等对其进行了表征.结果表明形成了以CuTAPc... 详细信息

漆酶的固定化研究对基于漆酶催化的光纤生物传感器具有十分重要的意义.制备了四氨基酞菁铜(CuTAPc)-Fe3O4纳米复合粒子,并用红外(IR)、场发射扫描电镜(FEG-SEM)、X射线衍射(XRD)、能谱、粒径仪等对其进行了表征.结果表明形成了以CuTAPc包覆在Fe3O4纳米粒子表面的纳米复合粒子,粒子呈现不规则球形,且分布均匀,粒子平均粒径在50nm左右.用此纳米复合粒子通过戊二醛交联法固定了漆酶,固定后的酶比游离酶具有更好的贮存稳定性及操作稳定性.这为研制高性能的光纤生物传感器打下了较好的基础.

关键词：纳米复合粒子酶固定化场发射扫描电镜光纤生物传感器戊二醛交联法 X射线衍射 Fe3O4 操作稳定性贮存稳定性纳米粒子平均粒径酶催化酞菁铜不规则游离酶漆酶