线结构光三维扫描建模系统中最关键的一步是提取光条中心线,但环境中各种因素的干扰给中心线提取带来困难。针对线结构光条纹图像存在光斑干扰、光强分布不均、光条宽度差别大、背景复杂等多种问题,提出解决方案。首先采用Otsu对结构光图像二值化;其次采用改进DBSCAN(density-based spatial clustering of applications with noise)算法保留核心点,去除边界点和噪声点;最后将核心点作为输入,构建图数据结构,采用适用于线结构光条纹图像的最短路径搜索算法得到光条中心线。实验结果表明,该算法运行时间在150 ms以内,误差在0.2 像素以内,并适用于多种复杂环境,满足实时性、准确性和稳定性的要求。
实际应用中电力变压器故障数据获取困难,导致在处理变压器故障数据时会由于存在不平衡数据对深入分析结果产生很大的影响。为了解决上述问题,结合对抗神经网络和人工神经网络对不平衡数据进行处理与判断,利用基于超弱光纤布拉格光栅的分布式声波传感技术对实验室搭建的变压器的模拟现场进行数据采集与分析,并在采集到的变压器故障模拟数据的检测上取得很好的效果。这种方法对基于对抗生成网络的有载变压器小样本故障识别系统具有重要的借鉴意义。
提出基于分布式光纤传感技术的人工神经网络有载变压器故障检测预报模型,通过人工模拟变压器的故障状态及正常运行状态,并通过k-means SMOTE数据扩充方法,可以有限扩充少量故障数据集,使故障数据量可以和正常数据量达到一致,将扩充后的故障数据与正常运行的数据一起送入长短期记忆卷积神经网络(convolutional neural networks long short term memory, CNN-LSTM)识别模型,最终可以将故障的识别率提升到100%,这对采用分布式光纤传感技术在有载变压器故障识别系统上的发展具有重要意义。
光纤微震监测技术通过观测分析生产活动中产生的微小振动事件,对其进行监测预警,具有无源、可靠性高等优点。传感器垂直安装在巷道帮部锚杆上,监测分站安装在硐室内,传感器与监测分站通过敷设的光缆形成监测网络。采用单纯形法进行震源定位,此方法在定位计算过程中不会出现发散问题,稳定性高,在求解过程中不需要求解偏导和逆矩阵,降低了运算量,提高了运算效率,每只传感器可以根据实际情况采用不同波速进行计算,更加符合实际情况。光纤微震监测系统安装于山西五阳煤矿,进行了初步的监测应用,并对监测结果进行了分析,结果证明该系统能够监测矿山活动,发挥预警功能,对安全生产起到了积极作用。
针对传统热力管道泄漏巡检方式存在的准确度不高、抗干扰能力差等不足,采用光纤分布式测温的方法测量热力管道沿线温度场,当发生泄漏时,管道中的热水或蒸汽会流出并改变泄漏点周围的温度场,系统可以快速捕捉温度变化并实时定位泄漏点。实验检测系统性能指标为温度精度(温度测量值与真实值间的误差)±1 ℃,空间分辨率≤2 m,目前已成功应用于济宁运河电厂热力管道的检测中,精确地测量了热力管道沿线15 km的温度变化,并成功对一处泄漏行为进行了报警,表明分布式光纤测温系统在热力管道泄漏监测领域具有广阔的应用前景。
针对CO2气体实时在线监测的应用需求,以比尔-朗伯定律为理论基础,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术搭建一套CO2气体在线检测系统。选择吸收谱线波长为1 609.583 nm,并在系统中搭建两路参考光路用于消除光源信号波动和实现自动寻峰,以提高检测系统的稳定性与准确性。通过对系统的标定与校准,系统测量相对误差小于0.8%,系统重复性小于0.06%,响应时间不超过18 s,对空气中CO2的体积分数进行连续4 h监测,其值的波动范围为360×10-6 ~ 400×10-6。试验结果表明该系统具有较好的稳定性与可靠性,可满足CO2气体实时在线监测的应用需求。
针对智慧海洋领域对海洋流速监测的要求,基于双光纤光栅能消除温度对流速的交叉灵敏度特性及悬臂梁的杠杆放大结构,设计了一种用于测量流体流速的双光纤光栅流速传感器。该传感器主要由外壳、光纤光栅测试组件及固定件组成,采用无胶化密封封装,进行了灵敏度及动态范围的测试,此外还分析了不同温度和压力对传感器性能的影响。通过高精度解调仪解调,设计的光纤流速传感器的灵敏度为76 mm/s,流速测量范围为0 ~ 1.2 m/s,且该流速传感器对温度和外界压力都不敏感,能够实现对流速单一参量的监测,可以满足油气田开采、油气输送管道、海洋河流等环境下流体测试的需求。
为提高电磁超声传感器换能效率,对电磁超声横波传感器的线圈背板进行了优化设计。首先通过实验方法研究了线圈背板厚度对超声信号的影响,然后通过有限元仿真软件对采用羰基铁粉作为线圈背板时的磁场分布进行了仿真,最后通过实验比较了线圈背板优化前后横波传感器的信噪比和提离距离。结果表明:电磁超声横波传感器中线圈背板的最佳厚度为1.5~2.0 mm;采用长度和宽度尺寸与线圈工作区域相同的羰基铁粉作为线圈背板能显著增加传感器工作区域的磁场强度;与采用非导磁性材料作为线圈背板相比,采用优化后的羰基铁粉背板可使传感器的信噪比增加约1倍,提离距离增加约1 mm。
提出了一种通过偏振模式耦合方式实现分布反馈光纤激光器保偏输出的方法,分布反馈光纤激光器是由刻写在有源光纤上的相移光栅构成的一种窄线宽光源。由于侧面紫外曝光过程造成的光纤极化,这种光纤光栅激光具有线偏振特性,但光路结构一般是由单模光纤构成,因此激光的线偏振特性无法保持。通过监测激光偏振耦合输出功率,可以间接识别激光线偏振方向,将激光线偏振方向和保偏尾纤二次耦合熔接,可以实现窄线宽分布反馈光纤激光的保偏输出。实验得到了偏振消光比大于30 dB,输出稳定线偏振光的分布反馈光纤激光器,且激光效率、线宽、噪声等较原始单模输出时均未发生明显变化。
为实现对油井温度剖面的高精度快速测量，设计了一种游走式高精度光纤光栅温度传感器，采用超细不锈钢管进行耐压封装，进行了温度响应速度的理论仿真，并分析了井下高压对测量精度的影响。对直径1.2 mm的传感器采用商用高精度解调仪进行解调后进行了测试。结果表明，设计的光纤光栅温度传感器的分辨率为0.01 ℃，测温线性范围到达175 ℃，响应速度小于108 ms，耐压可达100 MPa，能够满足油井温度剖面快速测量的需要。
针对基于相位敏感的分布式振动检测系统在实际工程应用中存在的容易受到环境噪声影响的问题，对系统信号进行滤波算法理论模拟及现场实验验证。结果表明，通过对原始信号进行高通滤波后差分及平均处理，能够有效地除去环境中大幅值、低频、周期性的噪声信号，系统信噪比提高50%，检测效果增强。
为实现石油炼化厂区防爆环境下管道厚度的在线无损检测，通过磁场聚焦和线圈优化等设计，研制了高提离距离的横波电磁超声无损检测系统。实验中分别对厚度22 mm的标准试块和12.16 mm的管道进行了检测，结果表明，在提离距离6 mm以内，该研究能够满足炼化厂区的管道厚度检测需求，为电磁超声检测技术通过防爆设计和认证提供了可能。
激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种基于原子激励、发射光谱的物质组分分析技术，具有快速、多元素同时探测且无需样品预处理等优点。本文综述了现阶段LIBS技术在合金、土壤、水、食品等领域金属元素检测中的应用研究进展，认为目前该项技术存在探测精度低、重复性差、探测信号不稳定等方面的问题，基于LIBS技术的金属元素探测仪器的研发，未来应该向常规、便携式、高精度的方向发展。
基于拉曼散射温度效应和光时域反射技术，设计了100 MHz高速数据采集系统SDLaser_DAQ600，实现对空间环境温度场测量。在数据采集系统中利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，采用实时累加平均算法对原始光纤传感信号进行累加平均，支持10 km光纤实时采样，空间分辨率达到1 m。实验结果表明，65 536次数据累加平均可以得到平滑的斯托克斯和反斯托克斯曲线，使光纤传感信号的信噪比提高到90 dB以上，能够为分布式温度测量提供良好的数据支持。
针对实际的激光多普勒测速信号中混有大量的噪声信号，难以找到所需要的多普勒频移的问题，提出了一种小波包全局阈值消噪方法，并在MATLAB中运用此方法对多普勒测速信号进行处理。根据多普勒信号的特点，通过对小波包分解尺度的选取、阈值估计方法的对比和对阈值thr的调整，可以快速有效地消除信号中的噪声信号，提高信噪比，得到有用信号。
针对基于差分结构的光纤应变传感器传统的温度补偿算法易产生测量误差的问题，本文将封装后的整个敏感结构一体化分析，通过实验标定得到光栅的温度敏感系数，简化了理论推导，并通过了应变实验测试。结果表明，进行温度补偿后，两光栅中心波长差与压强成线性变化，线性系数为0.7 pm/Pa，拟合度为0.999 5，能够有效抑制温度对波长的影响。
应用光纤分布式声波检测与干涉探测技术，设计了一种用于油气勘探开发的光纤分布式地震波探测系统，并在埋地布设的基础上提出光缆附加尾椎的布设优化方案。野外现场测试结果表明，系统能够完整探测到地震波沿光缆的分布情况，波形特性与传统电子动圈传感器相似，埋地式布设最远探测距离20 m，尾椎式布设最远探测距离10 m，该研究为系统的实际应用提供了必要的理论和实验依据。
基于光纤光栅原理，研制了直接测量变压器绕组内部温度的光纤传感器，对传感器的封装工艺、材料进行了优化设计，解决了热力场和应力影响问题。经过温度标定实验，对光纤温度传感器进行了温度校准。现场实验表明，光纤温度传感器与电子传感器的测量温度能够保持较好的一致性和重复性，测量灵敏度小于0.1 ℃,测量精度可达到±0.5 ℃，满足变压器绕组内部温度的实时在线检测要求。
利用计算全息（CGH）光栅产生的涡旋光束拉盖尔高斯（LG）光束进行离面位移测量。基于二元叉形光栅产生LG光束的理论，将产生的LG光束作为参考光，加入一束平面光作为物光，设计了离面变形测量实验方案。利用物光和参考光的干涉进行物体变形测量，推导出物体变形前和变形后的干涉光强公式。通过数值计算，分析了利用LG光束进行变形测量的原理。数值模拟实验结果与理论结果基本一致，表明利用CGH叉形光栅产生的高纯度的LG光束可以进行物体变形测量。
设计了一种适合海洋抛弃式测量的高速响应光纤光栅温度传感器。通过对传感器的温度灵敏度的理论分析，采用有限元方法对不同结构参数传感器的响应时间进行了仿真和对比分析，设计了一种响应时间为17 ms的传感器，其灵敏度理论值可以达到30.7 pm/℃，适用于海洋温度快速测量。
为实现对尾矿库的安全渗压实时监测，设计了一种波纹膜片结构封装的光纤布拉格光栅渗压传感器，通过材料及温度光栅双温度补偿，剔除了环境温度的影响。实测结果表明，该光纤光栅传感器量程为0~20 kPa，压力灵敏度为27.8 pm/kPa，线性拟合度达到0.999 99，适用于液位小范围变化的高精度检测。在尾矿库浸润线检测中的应用表明，传感器精度高，重复性好。
基于光纤光栅传感技术,设计了一种电力机车受电弓状态在线监测系统,能够实时监测电力机车弓网之间的动态压力?受电弓振动状态以及受电弓滑板应力温度等?系统通过仿真?标定及测试,得出弓网动态压力监测范围在0~500N,应变监测范围在-0.2%~0.2%?
设计并实现了一种基于cRIO的远程分布式数据采集系统?该系统利用cRIO特有的1588插件设计了时间同步程序,以及数据采集?触发保存?本地保存和数据TCP/IP上传程序?数据采集测试结果表明,该系统短期同步精度可以达到亚毫秒级,长期测试同步精度为毫秒级?该同步系统可应用于煤矿井下光纤微震监测系统中?
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