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基于光纖布拉格光柵的分布式光纖傳感技術(shù)基于光纖布拉格光柵的分布式光纖傳感技術(shù)1目錄1分布式光纖傳感技術(shù)2光纖布拉格光柵理論3基于FBG的分布式光纖傳感技術(shù)4工業(yè)案例分析目錄1分布式光纖傳感技術(shù)21分布式光纖傳感技術(shù)1分布式光纖傳感技術(shù)3簡介光纖通信光纖傳感遠(yuǎn)距離任意位置分布式光纖傳感溫度應(yīng)力振動(dòng)應(yīng)變簡介光纖通信光纖傳感遠(yuǎn)距離任意位置分布式光纖傳感溫度應(yīng)力4類型散射型波長掃描型干涉型瑞利散射拉曼散射布里淵散射光纖布拉格光柵FBG激光干涉相位調(diào)制類型散射型波長掃描型干涉型瑞利散射光纖激光干涉5散射理論瑞利散射拉曼散射布里淵散射光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)散射理論瑞利散射拉曼散射布里淵散射光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)62光纖布拉格光柵理論2光纖布拉格光柵理論7FBG的概念FBG的概念8FBG的制備方法FBG的制備方法9FBG的理論模型級(jí)聯(lián)小反射模型單個(gè)反射鏡反射率<10-7反射光相位匹配發(fā)生相干干涉駐波效應(yīng)導(dǎo)致反射率增加FBG的理論模型級(jí)聯(lián)小反射模型單個(gè)反射鏡反射率<10-710FBG相關(guān)參數(shù)光柵周期(Λ)相鄰反射鏡面反射光相位差(φ)光纖的有效傳播常數(shù)(β)FBG中心波長(λ)光纖有效折射率(neff)衍射級(jí)數(shù)(m)FBG相關(guān)參數(shù)11FBG理論模型的數(shù)學(xué)描述用有效傳播常數(shù)表示的反射條件反射光相位差有效傳播常數(shù)用波長表示的反射條件FBG理論模型的數(shù)學(xué)描述用有效傳播常數(shù)反射光相位差有效傳播常12FBG的反射強(qiáng)度根據(jù)級(jí)聯(lián)小反射模型FBG的反射率隨FBG的強(qiáng)度(反射鏡面的反射率)*長度(反射鏡面?zhèn)€數(shù))的增加而增加FBG的反射強(qiáng)度13光纖光柵在傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用光纖光柵的有效折射率、周期等特征參數(shù),都隨著外部施加的應(yīng)力、溫度、濃度等物理量的變化而改變,從而導(dǎo)致光纖光柵的Bragg波長(或頻率)發(fā)生變化。波長變化公式為光纖光柵在傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用光纖光柵的有效折射率、周期等特征參14FBG波長變化公式其中,pe為彈光系數(shù),α為熱膨脹系數(shù),ζ為熱光系數(shù),λ為Bragg波長,Δε為外部應(yīng)力下FBG的應(yīng)變,ΔT為溫度變化FBG波長變化公式153基于FBG的分布式光纖傳感技術(shù)3基于FBG的分布式光纖傳感技術(shù)16基本方案傳感機(jī)構(gòu)復(fù)用結(jié)構(gòu)解調(diào)系統(tǒng)溫度應(yīng)變應(yīng)力扭矩WDMTDMSDMFDM封裝技術(shù)復(fù)用技術(shù)基本方案傳感機(jī)構(gòu)復(fù)用結(jié)構(gòu)解調(diào)系統(tǒng)溫度WDM封裝技術(shù)復(fù)用技術(shù)17基本方案基本方案184案例分析4案例分析19案例背景由美國國家航空航天局(NASA)開發(fā)的,基于光纖布拉格光柵(FBG)的傳感技術(shù)已經(jīng)證實(shí)比現(xiàn)有傳感方案性能高20倍,并且在諸如汽車,航空航天,油氣,核能,醫(yī)療設(shè)備以及風(fēng)能等領(lǐng)域的應(yīng)用,呈現(xiàn)出巨大突破。案例背景202011年6月,美國4DSP公司從NASA獲得授權(quán),開始將基于FBG的傳感技術(shù)用于解決與結(jié)構(gòu)和環(huán)境監(jiān)測相關(guān)的現(xiàn)實(shí)問題,在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2011年6月,美國4DSP公司從NASA獲得授權(quán),開始將基21現(xiàn)實(shí)問題泄漏結(jié)構(gòu)缺陷葉片斷裂現(xiàn)實(shí)問題泄漏結(jié)構(gòu)缺陷葉片斷裂22傳統(tǒng)的電子傳感器基于FBG的傳感器價(jià)格昂貴分布式安裝困難變化?易損壞替代方案傳統(tǒng)的電子傳感器基于FBG的傳感器價(jià)格昂貴分布式安裝困難變化23液體氣體壓力溫度存儲(chǔ)容器誤操作修改環(huán)境變化保險(xiǎn)設(shè)計(jì)厚度重量成本因素通過實(shí)時(shí)監(jiān)測修正安全系數(shù)液體與氣體監(jiān)測液體壓力存儲(chǔ)容器誤操作保險(xiǎn)設(shè)計(jì)厚度通過實(shí)時(shí)監(jiān)測修正安全系數(shù)液24產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論模型原型測試提高設(shè)計(jì)效率狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裂紋產(chǎn)生與傳播腐蝕延長產(chǎn)品生命周期過載產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論模型原型測試提高設(shè)計(jì)效率狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裂紋產(chǎn)25采集風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能葉片損壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測采集風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能葉片損壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測26空氣動(dòng)力載荷葉片幾何結(jié)構(gòu)傾斜扭轉(zhuǎn)振動(dòng)反饋控制調(diào)整葉片角度衰減高階振動(dòng)葉片幾何結(jié)構(gòu)最佳狀態(tài)最高轉(zhuǎn)換效率實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣動(dòng)力載荷葉片幾何結(jié)構(gòu)反饋控制葉片幾何結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測27物理建模輸入空氣動(dòng)力載荷結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析最佳材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測物理建模輸入空氣動(dòng)力載荷結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析最佳材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)飛28電阻式應(yīng)變片機(jī)身結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能電阻式應(yīng)變片機(jī)身結(jié)構(gòu)的29降低成本機(jī)身重量電子設(shè)備全光網(wǎng)絡(luò)降低成本降低成本機(jī)身重量電子設(shè)備全光網(wǎng)絡(luò)降低成本30分布式光纖傳感解決方案測點(diǎn)應(yīng)變花三臂120度夾角應(yīng)力流電纜成束路徑引導(dǎo)獨(dú)立分析潛在風(fēng)險(xiǎn)分布式光纖傳感解決方案測點(diǎn)應(yīng)變花應(yīng)力流電纜成束路徑引導(dǎo)獨(dú)立分31基于FBG的分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)力溫度加速度壓力解調(diào)單元光頻域反射基于FBG的分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)力解調(diào)單元32傳感器的設(shè)計(jì)等距配置波長編碼自由安裝傳感器的設(shè)計(jì)等距配置波長編碼自由安裝33多通道信號(hào)中央解調(diào)單元多通道信號(hào)中央解調(diào)單元34系統(tǒng)架構(gòu)波長掃描1525-1560nm頻域分析響應(yīng)時(shí)間<50msRTS150光纖傳感系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)波長掃描頻域分析響應(yīng)時(shí)間RTS15035數(shù)據(jù)分析線性回歸分析相關(guān)因子R2數(shù)據(jù)分析線性回歸分析相關(guān)因子R236Thanks&BestWishesThanks37基于光纖布拉格光柵的分布式光纖傳感技術(shù)基于光纖布拉格光柵的分布式光纖傳感技術(shù)38目錄1分布式光纖傳感技術(shù)2光纖布拉格光柵理論3基于FBG的分布式光纖傳感技術(shù)4工業(yè)案例分析目錄1分布式光纖傳感技術(shù)391分布式光纖傳感技術(shù)1分布式光纖傳感技術(shù)40簡介光纖通信光纖傳感遠(yuǎn)距離任意位置分布式光纖傳感溫度應(yīng)力振動(dòng)應(yīng)變簡介光纖通信光纖傳感遠(yuǎn)距離任意位置分布式光纖傳感溫度應(yīng)力41類型散射型波長掃描型干涉型瑞利散射拉曼散射布里淵散射光纖布拉格光柵FBG激光干涉相位調(diào)制類型散射型波長掃描型干涉型瑞利散射光纖激光干涉42散射理論瑞利散射拉曼散射布里淵散射光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)散射理論瑞利散射拉曼散射布里淵散射光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)432光纖布拉格光柵理論2光纖布拉格光柵理論44FBG的概念FBG的概念45FBG的制備方法FBG的制備方法46FBG的理論模型級(jí)聯(lián)小反射模型單個(gè)反射鏡反射率<10-7反射光相位匹配發(fā)生相干干涉駐波效應(yīng)導(dǎo)致反射率增加FBG的理論模型級(jí)聯(lián)小反射模型單個(gè)反射鏡反射率<10-747FBG相關(guān)參數(shù)光柵周期(Λ)相鄰反射鏡面反射光相位差(φ)光纖的有效傳播常數(shù)(β)FBG中心波長(λ)光纖有效折射率(neff)衍射級(jí)數(shù)(m)FBG相關(guān)參數(shù)48FBG理論模型的數(shù)學(xué)描述用有效傳播常數(shù)表示的反射條件反射光相位差有效傳播常數(shù)用波長表示的反射條件FBG理論模型的數(shù)學(xué)描述用有效傳播常數(shù)反射光相位差有效傳播常49FBG的反射強(qiáng)度根據(jù)級(jí)聯(lián)小反射模型FBG的反射率隨FBG的強(qiáng)度(反射鏡面的反射率)*長度(反射鏡面?zhèn)€數(shù))的增加而增加FBG的反射強(qiáng)度50光纖光柵在傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用光纖光柵的有效折射率、周期等特征參數(shù),都隨著外部施加的應(yīng)力、溫度、濃度等物理量的變化而改變,從而導(dǎo)致光纖光柵的Bragg波長(或頻率)發(fā)生變化。波長變化公式為光纖光柵在傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用光纖光柵的有效折射率、周期等特征參51FBG波長變化公式其中,pe為彈光系數(shù),α為熱膨脹系數(shù),ζ為熱光系數(shù),λ為Bragg波長,Δε為外部應(yīng)力下FBG的應(yīng)變,ΔT為溫度變化FBG波長變化公式523基于FBG的分布式光纖傳感技術(shù)3基于FBG的分布式光纖傳感技術(shù)53基本方案傳感機(jī)構(gòu)復(fù)用結(jié)構(gòu)解調(diào)系統(tǒng)溫度應(yīng)變應(yīng)力扭矩WDMTDMSDMFDM封裝技術(shù)復(fù)用技術(shù)基本方案傳感機(jī)構(gòu)復(fù)用結(jié)構(gòu)解調(diào)系統(tǒng)溫度WDM封裝技術(shù)復(fù)用技術(shù)54基本方案基本方案554案例分析4案例分析56案例背景由美國國家航空航天局(NASA)開發(fā)的,基于光纖布拉格光柵(FBG)的傳感技術(shù)已經(jīng)證實(shí)比現(xiàn)有傳感方案性能高20倍,并且在諸如汽車,航空航天,油氣,核能,醫(yī)療設(shè)備以及風(fēng)能等領(lǐng)域的應(yīng)用,呈現(xiàn)出巨大突破。案例背景572011年6月,美國4DSP公司從NASA獲得授權(quán),開始將基于FBG的傳感技術(shù)用于解決與結(jié)構(gòu)和環(huán)境監(jiān)測相關(guān)的現(xiàn)實(shí)問題,在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2011年6月,美國4DSP公司從NASA獲得授權(quán),開始將基58現(xiàn)實(shí)問題泄漏結(jié)構(gòu)缺陷葉片斷裂現(xiàn)實(shí)問題泄漏結(jié)構(gòu)缺陷葉片斷裂59傳統(tǒng)的電子傳感器基于FBG的傳感器價(jià)格昂貴分布式安裝困難變化?易損壞替代方案傳統(tǒng)的電子傳感器基于FBG的傳感器價(jià)格昂貴分布式安裝困難變化60液體氣體壓力溫度存儲(chǔ)容器誤操作修改環(huán)境變化保險(xiǎn)設(shè)計(jì)厚度重量成本因素通過實(shí)時(shí)監(jiān)測修正安全系數(shù)液體與氣體監(jiān)測液體壓力存儲(chǔ)容器誤操作保險(xiǎn)設(shè)計(jì)厚度通過實(shí)時(shí)監(jiān)測修正安全系數(shù)液61產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論模型原型測試提高設(shè)計(jì)效率狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裂紋產(chǎn)生與傳播腐蝕延長產(chǎn)品生命周期過載產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論模型原型測試提高設(shè)計(jì)效率狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裂紋產(chǎn)62采集風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能葉片損壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測采集風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能葉片損壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測63空氣動(dòng)力載荷葉片幾何結(jié)構(gòu)傾斜扭轉(zhuǎn)振動(dòng)反饋控制調(diào)整葉片角度衰減高階振動(dòng)葉片幾何結(jié)構(gòu)最佳狀態(tài)最高轉(zhuǎn)換效率實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣動(dòng)力載荷葉片幾何結(jié)構(gòu)反饋控制葉片幾何結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測64物理建模輸入空氣動(dòng)力載荷結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析最佳材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測物理建模輸入空氣動(dòng)力載荷結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析最佳材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)飛65電阻式應(yīng)變片機(jī)身結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能電阻式應(yīng)變片機(jī)身結(jié)構(gòu)的66降低成本機(jī)身重量電子設(shè)備全光網(wǎng)絡(luò)降低成本降低成本機(jī)身重量電子設(shè)備全光網(wǎng)絡(luò)降低成本67分布式光纖傳感解決方案測點(diǎn)應(yīng)變花三臂120度夾角應(yīng)力流電纜成束路徑引導(dǎo)獨(dú)立分析潛在風(fēng)險(xiǎn)分布式光纖傳感解決方案測點(diǎn)應(yīng)變花應(yīng)力流電纜成束路徑引導(dǎo)獨(dú)立分68基于FBG的分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)力溫度加速度壓力解調(diào)單元光頻域反射基于FBG

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