光纤管道传感检测系统.doc

泉州市科技局公开征集产业重大关键技术解决方案撰写提纲方案名称：光纤管道传感检测系统技术领域：光学与光纤传感材料、器件及技术产业领域：科学研究和技术服务和地质勘查业方案申请单位（盖章）：厦门大学方案负责人：李森森单位法人代表：朱崇实通讯地址：厦门大学海韵园区联系电话13950006177推荐部门：厦门大学科技处起止时间：2015年06月至2018年06月一、方案概述（简要说明方案立项的必要性、方案目标、研究内容、技术方案、筹资方案、组织方式、相关基础条件等）本方案将研制采用新型光纤及器件的管道压力、温度、流速/流量、应变等多参数传感器，及其在线监测系统，解决当前管网系统运行参数难以实现分布式、多点、多参数在线监测和信号传输与融合问题，为管网系统的安全、高效、合理调度和运行提供保障。研究内容主要包括：用于传感的新型光纤和器件；基于光纤光栅和光纤干涉原理的压力、温度、流速、应变传感器及结构设计；传感器的制作工艺和封装技术；传感器信号检测和处理技术；传感系统的组网和通信、显示技术。厦门大学信息科学与技术学院在光纤传感技术方面有20多年的研究基础和较强的产品开发实力，在本方案的关键技术上有许多独到的技术和优势，已在新型光纤与器件、光纤传感技术方面申请和获得了10多项专利，发表了100多篇论文，完成了10多项的科研项目。合作单位泉州日新流量仪器仪表有限公司在管道传感器和检测仪表方面有多年的开发经验和应用历史，有雄厚的产品开发实力和条件，建有全省技术领先的气体和液体流量检定装置和系统，经常受省相关部门委托为其它企业的产品提供检定服务。前期双方已经在光纤压力、温度和流速传感器的研制方面进行了紧密合作，加工试制了初步的样品，为本方案的实施提供了坚实的基础。二、方案立项必要性分析2.1国内外相关发展状况及方案需求分析 在工业生产和民用领域，各种管道是维持和维护生产和生活过程正常进行的关键和重要基础设施，对生产和生活正常进行起到非常重要的作用。本方案主要针对供水和供气管道当前在压力、温度、应变、流速/流量等多个参数实时在线监测的需要，以及在实施管道参数的多点、分布、长距离监测和信号传输方面遇到的难题，提出研制采用新型光纤和器件的多参数光纤传感器和在线监测系统，克服当前采用传统电子式传感器件在实际应用中的瓶颈和大规模应用遇到的问题，为管网系统的参数监测提供新的途径，具有较大的创新意义和应用价值。由于管道系统应用的领域较多，下面我们以城市供水管道为例（供气管道情况相似），具体阐述管网系统参数监测的意义和作用。 近年来随着城镇建设速度的加快，自来水供水管网越来越庞大且分散。目前在国内各地的管网中，压力、流量和温度传感器的数量存在着很大的不足，在一些三线城市管网中甚至没有安装相应的检测仪器，无法进行管网系统的在线监测、调度和预警。各地每年都会因管网压力不当或其它因素引起漏损，造成巨大的水资源浪费和经济损失，有的地区漏损率甚至达到3040%。在管网系统中，压力、温度和流速/流量是管网运行的关键参数，特别是通过压力参数可以对管道及设备运行状况进行动态监测，实现自动化的信息管理。如果能将管网各监测点的多种信息实时感测记录并直观显示，对了解管网当前运行状况，合理调度与决策，保障自来水供水管网经济、可靠运行将起到十分重要的作用。因此，开发能检测管道内流体压力、温度、流速/流量，以及管道应变、振动（与管道泄漏有关）的传感器，对建立起一套管网状态参数实时监测系统，建设节约型、智能和信息化城市，保护环境和保障生产生活正常进行，都具有非常重要的意义。2.2预期解决的重大问题 在现有城镇供水调度监控系统中，由于各管网监测点分布范围广、数量多、距离远，个别还地处偏僻，采用传统电信号传感和传输的监测系统存在电缆铺设难度大、运行费用高、监测点需要供电、各种传感器集成和融合困难、不便于大规模使用等实际中难以解决的问题。为解决这一难题，近年来也有不少厂家开始研究如何将现有的电传感器在供水管网中应用，以及如何将多个参量的传感器集成在一个装置上。但由于不同参量的传感器检测原理通常都截然不同，还存在相互干扰的问题，集成难度很大；另外，这些基于电信号的传感器在检测和传输时极易受到环境电磁场和气候情况的干扰，同时，传感器的远距离供电和信号传输困难，多个传感器集成时装置的功耗太大也导致较严重的问题。目前，这些难题在实际中还未得到根本性地解决，阻碍了管网系统智能化、信息化的进程。 光纤技术在通信和其它传感应用领域已取得了很大的进展，采用光纤的传感和传输方案与上述基于电信号的传感、传输技术相比具有明显的优势。光纤传感器是基于光波信号工作的，传感头无需供电。同时，光纤的传输损耗又非常小（0.2dB/km），因此可以方便地实现远距离信号传感和信号传输，可以把传感和传输融合在一根光纤上实现。采用光纤光栅设计的的压力、温度、流速/流量、应变传感器可以非常方便地集成，通过一根光纤将各传感器串接成一个传感网络，具有系统结构简单、无需供电、运行维护方便、稳定性好等优点。另外，光纤传感器在供水和其它易燃易爆管道的行业应用具有天然的优势，因为光纤传感器在工作时不带电，有很高的安全性，耐腐蚀，和水的兼容性好，可以简化传感器的结构和设计，使成本降低。目前，光纤传感器已广泛应用于土木工程、桥梁隧道、煤炭石化、航天航空、电力等行业，是新一代的传感技术有良好的发展趋势。供水管网作为城市极为重要的基础设施，与城乡民生、经济和社会发展密切相关。国内市场的广阔需求以及现有合用传感器的不足，给光纤传感器及监测系统在供水及其它管网方面应用提供了很大的发展空间，具有广阔的市场前景。2.3 对我市和区域经济的作用厦门大学信息科学与技术学院在光纤传感技术方面有20多年的研究基础和较强的产品开发实力，在本方案的关键技术上有许多独到的技术和优势，已在新型光纤与器件、光纤传感技术方面申请和获得了10多项专利，发表了100多篇论文，完成了10多项的科研项目。合作单位泉州日新流量仪器仪表有限公司在管道传感器和检测仪表方面有多年的开发经验和应用历史，有雄厚的产品开发实力和条件，建有全省技术领先的气体和液体流量检定装置和系统，经常受省相关部门委托为其它企业的产品提供检定服务。公司自主研发了一系列的管道测试仪表，如UNKT型动差智能流量计已申请国家发明专利。公司产品已形成4大类、8个系列、300多种规格，在石油、化工、燃气、制造、食品、标准计量及筑路机械等系统中得到广泛应用，可为本方案研发的新型光纤传感器提供产业化方面的强力支持。本方案对我市乃至我省在管道监测技术方面走在国内前列、保障生产和生活设施正常安全运行、建设信息化、智能化、科学化管理和调度的管网系统都具有重要意义。三、方案目标和任务3.1总体目标、研究内容及考核指标（技术和经济效益指标，示范基地、中试线、试验平台和基地、生产线及其规模等相关产业化指标）1、总体目标 研制采用新型光纤及器件的管道压力、温度、流速/流量、应变等多参数传感器，及其在线监测系统，解决当前管网系统运行参数难以实现分布式、多点、多参数在线监测和信号传输与融合问题，为管网系统的安全、高效、合理调度和运行提供保障。2、研究内容（1）用于传感的新型光纤和器件 研究截面非圆对称光纤或多芯光纤及其光纤光栅器件，制作基于弯曲导致纤芯应变从而使光纤光栅中心波长变化的光纤压力和 流速传感器。（2）基于光纤光栅和光纤干涉原理的压力、温度、流速、应变传感器及结构设计 研究如何将测量压力的弹性膜片与光纤光栅组合构成传感测量元件；研究如何采用悬臂梁结构、或弯曲敏感的非圆对称或多芯 光纤光栅实现流速测量；研究如何通过多根光纤光栅的组合实现压力、流速、应变和温度的同时测量；研究采用光纤斐索干涉仪实现弹性膜片与光纤端面距离的绝对测量，单独或校正基于光纤光栅的压力传感器。（3）传感器的制作工艺和封装技术 研究光纤传感器的全金属化封装方法，克服采用胶水存在的蠕变和长期稳定性问题；研究光纤传感器传感头的结构设计和密封 技术，使之适用于液体和腐蚀气体环境下的测量，提高其长期可靠性和稳定性。（4）传感器信号检测和处理技术 研究如何从噪声中提取微弱的传感信号，研究采用新的频域信号处理技术提高传感器的灵敏度。（5）传感系统的组网和通信、显示技术 研究如何结合波分复用、空分复用、和时分复用技术实现多传感器的组网，以及传感信号的光纤远距离传输技术；研究如何通过 有线和无线网络（移动通信或wifi网络）实现传感器表头数据的回传和显示。拟重点解决的关键技术问题（1）新型光纤设计及器件的特性分析；（2）采用光纤光栅传感器存在的应变与温度交叉敏感问题；（3）传感器的制作工艺和封装；（4）传感器微弱信号的检测技术；（5）多传感器的融合与远距离信号传输，传感器表头数据的回传技术3、主要技术指标压力传感器：量程可根据需要分段设定，总测量范围070 Mpa；精度：1/10002.5/1000 （满量程）；温度传感器：-20150 oC，精度:0.2 oC；流速传感器：035m/s，精度：优于1% （满量程）；应变传感器：05000 ue(微应变），精度：优于1/1000；传感头无需供电，可远距离（5 Km）工作；除了在系统的集中控制机房集中显示各传感头的信息，还提供移动式显示表头，显示各传感器对应的测量结果和数据；监测系统传感器个数：504、拟达到经济效益指标新增产值：300万元新增利润：30万元新增税金：30万元3.2年度计划及其考核指标2015年06月-2015年11月 调研和分析管网系统对压力、温度、流速/流量、应变传感器的技术和应用需求，现有传感器的特性和指标，设计和制作新型的光纤传感器。2015年12月-2016年05月 对光纤传感器的制作工艺和特性进行细致的研究和分析，寻找最佳的材料和设计制作方案。完成光纤压力、应变、流速、温度传感器的初步制作和测量。2016年06月-2016年11月 结合实际应用的特点，研究传感器在实际应用中的安装方式和信号传输方式，考虑解决各种复杂环境因素，尤其是温度变化对传感器性能的影响问题。2016年12月-2017年05月 进一步完善压力、应变、流速/流量与温度传感器的材料和结构设计与封装，研究传感器的产业化技术，制作出性能指标达到要求的光纤传感器；同时研究传感测量结果有线与无线回传的方法，研制相关的系统软件，实现移动表头的数据显示。2017年06月-2017年11月 研究和改善传感器制作和封装工艺，解决产品可靠性和一致性问题；完善系统软件和移动表头信号回传的通信方式，实现移动式的数据显示终端。研究产品性能的标定方式和规范制作程序，完成相关产品的检验和证书。2017年12月-2018年05月 总结研发成果，申请相关专利，撰写研究论文，提交项目结题和验收的材料和报告，准备验收工作。2018年06月 项目验收。3.3 联合单位任务分工情况厦门大学信息科学与技术学院：负责管道参数光纤传感器及系统的研制和应用技术的开发。泉州日新流量仪器仪表有限公司：负责提供实验场所和协助厦门大学信息科学与技术学院进行相关产品的研制及性能检定，产品的推广应用。四、方案技术方案4.1技术路线、技术方案及其先进性和可行性分析（说明其主要技术创新点）1、技术路线和技术方案（1）为使光纤Bragg光栅（FBG）的中心波长对弯曲敏感，以便用于设计制作一体化的压力和流速传感器，必须将圆形的光纤截面改造为非圆对称形状，或者使用双芯和多芯的光纤。我们是国内最早开始进行非圆对称光纤光栅和双芯/多芯光纤光栅的研究单位，在非圆对称光纤（如D型光纤）和双芯/多芯光纤及器件的制作方面做了大量的理论分和实验研究，取得了一系列的研究成果。已经研制出多种D型光纤、双芯光纤、以及采用多芯光纤的传感器，在弯曲、位移、加速度、振动、流速、温度传感器方面已取得初步的实验测量结果。这些工作为本项目的研究和应用打下了坚实基础。（2）对于采用光纤光栅的压力传感器，我们将设计一种新颖的结构，使弹性膜片受压力影响中心点产生位移时，带动附着其上的FBG受力应变导致其中心波长发生变化。温度对FBG中心波长的影响可以通过与其串联的另一根不受膜片影响的FBG测量。（3）对于采用斐索干涉仪的压力测量方案，我们拟将光纤端面镀膜提高其反射率，并在弹性膜片对应位置粘贴高反射率镜，提高干涉仪的精细度。同时，为了克服光纤斐索干涉仪偏置点漂移对灵敏度的影响，提出用两根端面与外反射镜距离不同的紧靠光纤构成两个斐索干涉仪，同时测量弹性膜片在压力影响下的变化。只要合理设置两根光纤端面到反射面的距离，就可以从两个干涉仪的输出信号获得不受偏置点漂移影响的结果。（4）管道的应变和振动可以通过紧贴其内或外表面的光纤应变传感器测量。我们设计了一种一体化的光纤应变和温度传感器，通过玻璃纤维材料将两个FBG嵌入其中，但两个FBG不在同一个平面上，是一种“Z”字型结构。这样当其中一个FBG所在的面与管壁粘贴时，另一个FBG处于不受管壁应变干扰的状态。这样当其中一个FBG检测管壁应变时，另一个FBG起到检测温度及补偿作用。（5）对于采用FBG的流速传感器，我们将采用两种方案。第一种方案是基于悬臂梁结构的靶式流速流量传感器，将两个FBG分别贴在悬臂梁的上下（或前后）两面，当气体或液体流动引起悬臂梁应变时，FBG的中心波长就会发生变化。这种方案实际应用时须解决FBG应变和温度交叉敏感、以及两个FBG应变和温度系数不一致的问题。我们将FBG的应变系数看作温度和应变的函数，提高补偿的准确度。第二种光纤流速传感器方案将采用弯曲敏感的双芯和多芯光纤FBG。我们首先在双芯和多芯光纤的各芯子里通过紫外激光在同一个位置写入FBG。由于双芯或多芯光纤中的各FBG在光纤受到弯曲时感受到的应变并不相同，则可通过各FBG的变化判断光纤所受的弯曲大小和方向。同时，温度对各FBG的影响又是相同的，这样通过各FBG波长差可以消除环境温度对结果的影响。如果光纤的弯曲与管道内流体的流速成正比，则只用一根光纤就可以实现流速的测量。由于光纤具有良好的柔韧性，可以测量较大范围的流速。无胶的传感器设计又使这种传感器没有长期蠕变等问题，具有良好的可靠和稳定性。（6）光纤光栅中心波长的变化可以通过扫描滤波法（如采用电压控制的光纤可调F-P干涉仪）或扫描激光法测量，已有多家公司的产品可以实现这一目的。测量快速变化的压力或应变可以采用边沿解调法实现。（7）对已获得的传感器微弱信号，可以采用时域多次平均叠加法提高信噪比。我们早期在微弱气体传感中采用这一方法，已取得良好的测量结果。对于以一定频率变化的压力或振动，可通过快速傅里叶变换，在频域对信号进行处理。初步实验已取得良好的结果。（8）对于多点、多参数及多个传感器的组合和融合问题，我们将结合波分复用、空分复用和时分复用技术实现。例如，将各传感器中的光纤光栅中心波长设置为不同数值进行复用，或通过光纤分路器将不同传感器进行空分复用，或将光源调制对各传感器实现时分复用。由于光纤的传输损耗极低，分布在长途管线的各传感器可以通过光纤连接，将信号送到集中的信号处理中心，实现集中的信号处理和控制。（9）如果需要在检测点现场显示数据或读数，可以从集中的信号处理中心通过同一根或另一根光纤将信号回传。由于这种集中处理、信号回传模式工作的系统不需要在检测点单独安装功能比较复杂的电路模块、处理器及其它元器件，可以大大简化检测装置的结构和设计，提高系统的可靠性。本项目还将采用一种创新的显示方案，利用目前比较普及和成本低廉的移动通信终端作为传感器的显示表头，将信号处理中心获得的数据通过移动网络或wifi发送到移动终端显示，进一步提高显示的灵活性。2、主要技术创新点（1）首次将非圆对称光纤和多芯光纤光栅传感器应用于管道压力和流速测量，并提出采用光纤光栅同时检测压力与温度、流速与温度的方案；（2）通过对光纤光栅应变系数、温度系数的深入研究和分析，解决光纤光栅应变与温度交叉敏感的问题。将新的算法应用于基于 悬臂梁结构的靶式流速传感器，提高传感器的检测精度；（3）将一种新的双光纤斐索干涉仪应用于压力传感器，克服偏置点漂移对传感器灵敏度影响的难题；（4）提出一种新的传感器信号频域处理方法，提高系统对传感器微弱信号的提取能力。经初步实验，采用新的方法可以将传感器输出信号的信噪比提高10倍以上；（5）通过新的设计和结构，将压力、应变、流速、温度传感器信号融合在一根光纤，实现管网系统多参数、多点、多传感器同时测量；（6）在传感器测量结果的显示和传输方式上，提出一种创新的“移动表头”显示方式和概念。与传统的表头与传感器集成一体的不同， 本方案用于显示测量结果的表头和传感器可以是分离的，对应各传感器的显示数据可以通过监测系统中心通过无线的移动通信方式（如3G或wifi网络）发送到常规或特制的移动显示终端，检查人员可以在各监测点通过移动终端实时获得各传感器的信息。这种新的方案特别适合光纤传感系统的信号处理特点，具有较大的实际意义。4.2知识产权分析与对策（含国际竞争力分析）厦门大学信息科学与技术学院在光纤传感技术方面有20多年的研究基础和较强的产品开发实力，在本项目的关键技术上有许多独到的技术和优势，已在新型光纤与器件、光纤传感技术方面申请和获得了10多项专利，发表了100多篇论文，完成了10多项的科研项目；本方案开发的产品和技术在管道参数监测领域具有较大的创新性，与本方案有关的几项专利正在申请中。合作单位泉州日新流量仪器仪表有限公司在管道传感器和检测仪表方面有多年的开发经验和应用历史，有雄厚的产品开发实力和条件，建有全省技术领先的气体和液体流量检定装置和系统，经常受省相关部门委托为其它企业的产品提供检定服务。公司自主研发了一系列的管道测试仪表，如UNKT型动差智能流量计已申请国家发明专利。公司产品已形成4大类、8个系列、300多种规格，在石油、化工、燃气、制造、食品、标准计量及筑路机械等系统中得到广泛应用，可为本项目研发的新型光纤传感器提供产业化方面的强力支持。4.3预期产品的市场分析或技术成果应用分析本方案的产业化和推广应用，将为供水、供送气领域的仪器仪表和监测系统带来产业升级、信息化、智能化等一系列改变，产生良好的社会和经济效益，如有效的减少了城市自来水供水管网因压力不当或其他因素引起漏损造成巨大的资源浪费。当产品成熟并推向市场后，其潜在的经济效益可达1000万/年以上。五、基础条件和优势5.1方案申报单位和合作单位的基本情况（包括与方案实施相关的实力和基础，以往的业绩和成就，承担相关方案情况）厦门大学信息科学与技术学院光波技术研究所在光纤技术与应用方面，对多种光纤通信器件与光纤传感器作了长期和系统、深入地研究。如对光纤光栅的理论与特性做了深入细致的研究，研制了新的光纤光栅压力、温度、流速、应变、弯曲、位移、加速度等传感器；共发表各类学术论文100多篇，申请和获得专利10多项。主持包括国家自然科学基金、省部级基金、企事业单位委托项目等共10多项研究和开发项目。研究所仪器设备包括多种可进行光波导、光纤光学、微波与射频技术研究和实验的关键设备，如：高精度光谱分析仪（ANDO AQ6317B）、1500nm1640nm高波长精度可调激光光源、光时域反射OTDR (EXFO FTB7300D)，光偏振分析仪(Thorlabs, USA)、Ocean Optics紫外可见光谱分析仪(USB2000)，小型光纤拉丝机、光纤拉锥系统，光纤熔接机，磁控溅射仪，高功率CO2激光器，980nm大功率激光光源，光纤放大器，宽带示波器、频谱测量仪， AV3619型矢网仪、TU-1901型分光光度计、KW型匀胶机，以及其它相关的各种波长半导体激光器、固体激光器、宽带光源、光功率计、光学元器件等。合作单位泉州日新流量仪器仪表有限公司是一家在管道流量、压力检测仪器仪表领域有较大规模和实力的企业，是集研制、开发、生产一身的专业科技公司，公司占地13000多平方米，建筑面积10000多平方米，年生产能力达8000台套以上，产值400多万。公司拥有一批高、中级工程技术人员和经验丰富的技术工人，具有相当的研制、开发能力。公司经过多年研制、开发的UNKT型动差智能流量计是一种全新概念的流量计，已申请国家发明专利。产品已形成4大类、8个系列、300多种规格，因其十分突出的优越性而广泛应用于石油、化工、燃气、制造、食品、环境保护、标准计量及筑路机械等系统中。公司已通过ISO9001:2008质量管理体系。建立了科学、合理、有效的管理机制。以质优为本，诚诺是信 为宗旨，以最优秀的产品，最完善的服务，为经济的发展奉献薄力。 公司拥有良好的企业管理体系、生产条件及技术人才队伍，多年积累的相关流量计的技术设计、研制开发经验，及现有研究工作基础，可以为本项目提供良好的技术基础和实验条件。5.2 方案申报单位和合作单位与国内外同类机构的优势比较分析（完成方案预期目标的技术、人才、机制、设施设备优势等）厦门大学信息科学与技术学院光波技术研究所系统地分析了偏振光在光纤中的传输特性，提出了用于电力系统大电流测量的光纤电流传感系统和相关器件的设计；首次将掺稀土元素光纤光源应用于甲烷气体检测，深入开展了多种气体的传感研究；提出一种新的多波长光纤激光器方案，有关工作在国际上被大量引用；在国内率先开展双包层光纤激光与光子晶体光纤的研究，并提出新型可调相移光纤光栅及单频光纤激光器方案等。已开展的研究和开发项目包括：光纤光栅压力、温度、应变、振动传感器；光纤干涉式压力、位移传感器；光纤气体传感器；光纤电流传感器等。部分比较具体的工作如下：（1）光纤光栅压力与温度传感器 基于光纤Bragg光栅(FBG)的多参数集成传感器工作的基本原理如图1所示，其中待测的物理量可以是压力、温度或流速等。光纤光栅的中心波长可由式(1)表示： （1）当被测物理量引起FBG中心波长变化时，波长变化量可写为： （2）其中Ke, KT分别是FBG的应变和温度系数。由于FBG在测量压力、流速或其它物理量时会同时受到温度的影响，因此如何消除温度对测量结果的干扰就是这类传感器要解决的关键问题。图1 FBG应变和温度传感系统框图 我们研发的基于悬臂梁的光纤压力、流速和振动传感器的基本结构如图2所示，其中两只中心波长不同的FBG分别贴在悬臂梁的上下两面，这样当悬臂梁受到被测物理量影响而发生弯曲时，两只传感器的波长朝相反方向变化，但温度对两只FBG波长的影响是同向的，因此两只FBG中心波长相加可得到温度的信息，而相减可以消除温度对传感器输出的影响而保留其它物理量的信息。但这种简单差分式测量原理遇到的难题是两只FBG在实际测量条件下的温度系数可能不完全一致，这样温度对传感器输出的影响不能完全消除，造成测量系统的误差。我们在对不同条件下FBG温度和应变系数的特性充分了解和研究的基础上，提出了一种创新的同时考虑温度和应变的基于悬臂梁的双光纤光栅的信号解调和处理方案，有效解决了温度对传感器输出信号干扰和测量精度不高的问题。图3是采用我们新的信号处理技术后传感系统输出精度与常规仅用差分法测得的输出信号对比曲线。可见采用新的处理方法后测量精度可提高一个数量级左右。图3 信号处理前后传感器输出信号的对比，其中a为修正系数图2 悬臂梁上下表面粘贴两只FBG的传感示意图压力或其它物理量FBG1FBG2（2） 采用特殊光纤的流速传感器我们对D形、双芯光纤、特殊封装光纤器件的特性和传感应用做了大量的研究和分析，自行设计和研制了各种特殊光纤和传感头。例如图4是我们研制的D形和双芯光纤，以及它们在位移、加速度、流速测量等方面应用的例子和实验测量曲线。采用非圆对称截面或纤芯结构光纤及FBG传感器测量的基本原理是这种FBG对光纤的弯曲十分敏感，因此如果传感头受气体或液体流动的影响而发生弯曲，FBG的中心波长将发生变化。我们将采用这种创新设计的传感头测量流速的大小，同时还能测量流体的方向，这样可以实现一种矢量的测量，在实际中对消除干扰具有重要的意义。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)图4 D形光纤及其FBG在位移和加速度传感方面的实测曲线和应用。(a) D形光纤截面图；(b) 采用D形光纤的FBG (D-FBG)反射谱随弯曲大小的变化；(c) D-FBG中心波长随位移的变化；(d) 采用D-FBG的加速度传感器结构设计；(e) 加速度传感器输出信号随加速度大小的变化；(f) FBG流速传感器输出信号随流速变化的实测曲线。 厦门大学光波所部分已制作的光纤传感器照片：图5 厦门大学光波技术研究所制作的各种光纤传感器。（a）光纤压力传感器；（b）光纤流速传感器；(c)光纤应变-温度传感器。 图6 厦门大学光波技术研究所制作的光纤应变-温度传感器在香港水务署输水管道应变温度监测项目中的现场安装照片及获得的应变信号。（3） 传感器微弱信号的检测技术 我们针对光纤光栅在检测微弱声波/振动信号时所具有的特点，提出并验证了一种有效的时域频域信号处理方法。采用FBG对微弱的声波振动信号进行检测和信号处理，实验结果经分析表明，当信噪比低于10dB时系统仍可检测低频振动信号；图5显示采用新的信号处理技术可以有效提取淹没在噪声中的振动信号，提高光纤传感系统检测微弱振动和压力的能力。 (a) (b)图 7 采用时域频域信号处理技术对低信噪比传感系统输出信号的提取。(a) 淹没在噪声中的传感器输出信号；(b) 经信号处理后提取的30Hz振动信号合作单位泉州日新流量仪器仪表有限公司现有的气体和液体流量检定场所和装置是省内技术领先、功能齐全、规模最大的技术平台和检定基地，经常受相关技术监督部门委托为其它企业的相关产品进行检定，是泉州市科技局和技术监督部门授牌认可的计量检定单位。公司现有的产品和先进设备如下：前期双方已经在光纤压力、温度和流速传感器的研制方面进行了紧密合作，加工试制了初步的样品。公司针对大口径城市管网水道的测量要求，特别筹建了管径1000mm的测量装置 ，前期已投入经费25万用于修建500 m3的水池，用于传感器与系统的测试。5.3方案负责人及主要骨干人员的情况(从事过的主要相关研究及所负责任和作用，相关研究和产业化成果、发明专利和获奖情况，在国内外主要刊物上发表论文情况，特别是与本方案相关的研究成果情况等)方案负责人李森森助理教授长期从事全息光栅、全息透镜等全息光学元件的特性分析、制备技术及相关应用等方面的研究，目前侧重于新型光纤光栅结构的探索与应用。先后参与并完成了包括福建省科技计划重点项目（国际合作）“微型全息光学元件制作技术及应用研究”、厦门市科技计划重点项目“费涅耳全息型密集光波分复用器的制作技术”、 福建省自然科学基金计划项目“全息技术实现光子晶体制作及在LED上的应用研究”、国家自然科学基金青年项目“基于波导分布反馈技术的固态染料随机激光介质研究”、国家自然科学基金面上项目“新型相移光纤光栅及单频可调光纤激光器的研究”等多个项目的研究工作。相关论文和专利：1、S. S. Li*, L. J. Chen, X. P. Dong, X. C. Ren, X. S. Zhang, and S. Liu, Spatial frequency doubling with two-step technique, Opt. Lett., 39(7): 2024-2027, 20142、L. J. Chen*, Z. Liu, K. J. Che, Y. K. Bu, S. S. Li*, Q. Zhou, H. Y. Xu, and Z. P. Cai, Thermo-switchable multi-wavelength laser emission from a dye-doped nematic liquid-crystal device, Thin Solid Films, 520: 29712975, 20123、Q. Zhou, S. S. Li, C. H. Huang, L. J. Chen*, H. Y. Xu, and S. Liu, Two-dimensional DFB laser fabricated on dye-doped hybrid zirconia film by soft lithography. Chin, Opt. Lett. , 10(5): 051401-1- 051401-4, 20124、S. S. Li*, S. Liu, X. S. Zhang, and X. C. Ren，Demultiplexer based on an off-axis holographic lens with low monochromatic aberrations，Chin, Opt. Lett., 9(9), 090603-1- 090603-3, 20115、L. J. Chen*, F. Y. Gao, C. Liu, Q. Zhou, S. S. Li*, Y. K. Bu, and Z. P. Cai, Distributed feedback leaky laser emission from dye doped gel-glass dispersed liquid crystal thin film patterned by soft lithography, Optical Materials, 34: 189-193, 20116、李森森，陈鹭剑，董小鹏，任雪畅，刘守. 一种倍频光栅空间频率的方法，2013.08.14，中国，申请公布号：CN 103245991 A.7、李森森，董小鹏. 基于菲涅尔全息型波分复用器的光纤光栅波长解调装置，2012.05.02，中国，申请公布号：CN 102435213 A.方案主要骨干人员董小鹏教授一直从事光纤技术及相关产品的研发和应用工作，是厦门大学信息科学与技术学院光波技术研究所所长，博士生导师，“通信与信息系统”博士点“光纤通信与光纤传感”方向学术带头人。工作中特别重视实际应用领域提出的需求和采用光纤技术为实际应用领域解决技术难题。例如，协助多家企业研发了光纤电流传感器、高稳定度光纤光源、光纤温度、压力、应变传感器，以及帮助某知名国际跨国电气企业解决了一款电气产品的测试难题。具有强烈的创新和开拓意识，对国际上相关领域的技术进展以及在各行业的可能应用十分关注，已申请十几项专利，发表100多篇学术论文，多次担任国内、国际学术会议技术委员会委员和做特邀报告，在光纤通信与传感领域有较高知名度。已发表的部分有关论文如下：1. Y. Zou, Xiaopeng Dong, Wide Range FBG Displacement Sensor Based on Twin-core Fiber Filter,Journal of Lightwave Technology, 30(3): 337-343, 20122. W. Chen, Xiaopeng Dong, Stress Analysis and Detection of Composite Electrical Insulators with Embedded Fiber Bragg Grating Sensors, Sensor Letters, 10(11): 14, 20123. Y. Zou, Xiaopeng Dong, Demodulation of the FBG temperature sensor with the tunable twin-core fiber, Microwave and Optical Technology Letters, 53(1): 81-84, 2011已获得的部分专利：1. 董小鹏等，可调谐相移光纤布喇格光栅，发明专利（专利号：200810071199.1），2010.62. 董小鹏等，一种采用LED荧光粉的光纤温度传感器，实用新型，（专利号：ZL201220401911.1）, 2013.43. 吴兆喜，董小鹏等，一种光纤光栅温度传感器，实用新型（专利号：201220026498.5）六、方案组织方式及管理机制6.1方案的组织管理（组织方式和机制、产学研用结合、创新人才队伍的凝聚和培养等）6.2与其他（国家和省部级）项目（方案）的衔接方案（包括技术和产品研发链、产业化链、基础设施共享共用等方面）七、方案预算及筹资方案7.1预算表 单位：万元总投资175申请资