蓝宝石晶体高温传感器的信号解调及标定

为了使用蓝宝石晶体高温传感器对工业烟气温度进行长期在线监测,设计了蓝宝石晶体高温传感器的解调系统,并对其进行了标定。对蓝宝石晶体高温传感器的白光偏振干涉测温原理进行了理论分析,并利用离散腔长变换(DGT)解调算法对光程差信息进行解调。在此基础上建立了一套以热电偶为参照的标定系统,使用S型高温热电偶采集温度数据,得到了光程差-温度样本。分别利用二次多项式拟合法与BP神经网络法对传感器的输出曲线进行了拟合与泛化,并进行了对比。实验结果表明:在800~1 300℃温度范围内,与二次多项式拟合方法相比,BP神经网络的拟合精度较高,拟合残差均值达到0.33℃;泛化能力强,多次泛化结果误差均值为0.56℃,均方误差为0.55℃。最终使用BP神经网络方法对传感器进行标定,使得传感解调系统满足了工业测高温的精度要求。     

非本征F-P干涉仪式光纤触觉传感器的研究

基于法布里-珀罗(F-P)干涉原理,设计制作了具有核磁共振成像(MRI)兼容能力的光纤非本征F-P干涉仪(EFPI)结构的触觉传感器。在整个光纤触觉传感系统中,利用螺旋微控装置对传感器施加力,通过光谱分析(OSA)测量干涉光谱,利用交叉相关解调技术解调出传感器腔长,同时由FS20系列力传感器进行标定。对传感器的性能指标进行了分析,本文传感器的测量范围为0～3N,测量分辨率为0.02nm,多次测量结果显示和理论的吻合度较高。     

结构简单的熔接式全石英光纤EFPI高静压传感器

介绍了一种结构简单的熔接式全石英光纤非本征型法布里-珀罗干涉仪(EFPI)高静压传感器,对传感器的压力效应进行了理论分析,给出了传感器的设计结构和制作过程。和传统EFPI传感器相比,该传感器具有长腔长、结构简单、制作工艺简易、应用灵活方便等优点,可以用于较高静态压力的测量。建立了传感解调系统,对压力进行了测试,测量精确度高,稳定性好。同时进行了温度敏感度测量实验,温度敏感系数约为0.72nm/℃,传感器的腔长温度线性度好,结果显示传感器温度交叉敏感度低。在0~20 MPa压力测量范围内,该传感器的压力腔长灵敏度可以达到21nm/MPa,连续10h动态测量条件下,测量偏差为0.2%FS。     

基于膜片式EFPI光纤麦克风的声源定位系统

提出一种采用激光器频率调制准连续相移干涉实现膜片式光纤声传感器阵列同时解调的技术。通过调制光栅Y分支(MG-Y)可调谐激光器的快速频率调谐引入相移,4个具有π/2相位偏置的光频率按顺序切换,产生准连续的正交相移信号。基于五步相移算法,任意5个相邻相移信号用于相位恢复,由于没有机械运动部件,实现了高速稳定的相位解调。该系统的相位采样率(600 kHz)取决于频率调制速度。实验结果表明,通过调整激光器输出频率,可以正确解调宽腔长范围的非本征Fabry-Perot干涉(EFPI)传感器。此外,构建了一个紧凑的多点声传感阵列系统,实现了声源定位应用。     

EFPI和光纤光栅传感器混合测量技术

研究了一种对外腔式F-P干涉型(EFPI)传感器和光纤光栅(FBG)传感器进行混合测量的技术。用窄线宽的扫描光注入EFPI或FBG,通过测量FBG的反射光波长和EFPI的反射光光谱完成在同一台仪器的不同通道实现了对FBG或EFPI的同时测量。还研究了在一根光纤上同时实现FBG和EFPI测量的技术,结果表明FBG串联在EFPI前面时,可准确测量出FBG的波长和EFPI的腔长。而EFPI串联在FBG前时,只能测量EFPI,而不能完成FBG的同时测量。     

径向基函数神经网络在光纤法布里-珀罗传感器解调中的应用

提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络的光纤法布里一珀罗传感器解调方法.从理论上分析了该方法的解调原理.从干涉谱中提取特征值,利用干涉谱的特征值和腔长作为训练集,对RBF网络进行训练,训练好的网络就可以实现预测腔长的功能.在测量范围为0～2 MPa的法布里-珀罗(F-P)腔MEMS压力传感器进行的解调实验中,该算法可以辨别0.1 MPa的压力,腔长与压力数据的拟合度为0.98858.仿真计算得出,该方法解调出的腔长的相对误差达到0.02%,腔长的最大绝对误差小于0.1μm.实验结果表明,神经网络方法可以达到较高的精度,满足实际需求.     

线阵InGaAs扫描FBG反射谱的传感解调方法

研究并实现了一种基于256像元线阵InGaAs扫描的光纤布拉格光栅传感解调系统。针对线阵InGaAs探测器,分析了光纤光栅反射谱中心波长定位原理,可实现多个FBG光谱的同时解调,单通道解调传感器数量取决于FBG的带宽和中心波长漂移范围。对256个像素点的光谱数据,通过设置的阈值判断反射谱的个数,分别对每一个谱峰进行拟合,基于高斯指数曲线模型实现了寻峰算法,获得了中心波长。搭建FBG解调系统采集光谱数据,寻峰算法的稳定性达到0.5 pm。该解调方法无机械移动部件,实现了多光纤光栅波长寻峰的并行快速响应,波长解调范围为1 525～1 570 nm,为多光纤光栅传感提供了高速解调方案。     

光纤F-P腔与FBG复用传感器精确解调方法研究

建立了基于光纤Fabry-Perot(F-P)腔与光纤Bragg光栅(FBG)串联复用结构传感器的解复用数学模型,分析了串联复用中FBG与F-P腔光谱的叠加对各自解调的影响,得到了分离FBG与F-P腔光谱的方法,从而实现双参数测量高精度解调的目的,并采用基于扫描激光器的波长查询系统验证了该方法的有效性。实验结果表明,该解调方法可以消除串联复用时光纤F-P腔与FBG间的交叉干扰,光纤F-P腔的解调数据最大离散值小于0.2nm,FBG峰值反射波长测量数据最大离散值小于0.7pm。     

基于稀疏快速傅里叶变换的光纤F-P传感器腔长解调方法

因光纤法布里-珀罗(F-P)传感器的干涉光信号频谱具有稀疏性,求解腔长时,传统的快速傅里叶变换(FFT)算法需要计算整个频率范围内的频谱成分,计算速度较慢。稀疏快速傅里叶变换(SFFT)算法只需计算干涉光信号的主要频谱成分,通过频谱重排、窗函数滤波、频域降采样,以及循环定位与估值,能快速地计算出信号频谱中K个极大的傅里叶系数,从中找出腔长对应的频率,解调出腔长。该算法结构简单,时间复杂度低。通过分析光纤FP传感器腔长解调系统的实际干涉光信号,验证解调结果的准确性,以及相比FFT算法的高效性。因此,SFFT算法适用于对光纤F-P传感器腔长进行在线实时解调,以实时测量物理量。     

薄膜型光纤F-P腔传感器弧形腔效应的补偿

讨论并仿真了薄膜型光纤F-P腔传感器弧形腔效应的补偿.当一个薄膜型光纤F-P腔传感器的形变位移足够显著时,将产生弧形腔效应而使其不再完全服从平行平面腔传播模式规律.此时必须对平行平面腔的传播模式进行修正以符合弧形腔的实际规律.利用基尔霍夫衍射方程对弧形腔模型进行了计算和仿真,确定了弧形腔的散射效应,并基于一种典型腔长解调方法,提出了弧形腔效应下,腔长解调值的补偿方案.     

DWDM技术在新型波长解调方法中的应用

为实现光纤传感器的波长解调,以8通道50 GHz密集型波分复用器作为光纤光栅压力传感器中的解调工具,依据各个通道的中心波长作为波长的标定基准,利用从各通道中获得的光功率输出值获得光纤光栅反射光谱分布曲线的包络,并以高斯多项式拟合法作为光纤光栅波长寻峰算法,最终获得光纤光栅反射光谱的中心波长的准确位置,从而实现结构简洁、成本低廉、全光纤的波长解调系统,系统压力与波长的线性拟合度为0.996 5,实验测得的波长分辨率可达0.3 pm,最大引用误差为2.6%,测量精度为0.16 MPa。     

多芯光纤光栅形状传感性能与重构误差研究

多芯光纤光栅形状传感技术利用空分复用以及应变监测的优势,结合不同的栅点布设方案,实现待测对象的连续曲率和形状传感。首先介绍了多芯光纤光栅曲率和挠率传感原理,提出采用齐次矩阵变换的三维重构算法实现光纤的三维形状重构。为了探究不同光栅密度对实验精度的影响,利用算法编程模拟了不同光栅间距下的三维形状重构精度,依据模拟仿真的结果,建立了不同光栅间距与三维重构误差之间的关系。三维形状传感实验使用光栅间距为10 cm和5 cm的七芯光纤光栅串。实验结果表明,最大误差出现在尾点处,分别为2.56 cm和1.15 cm,占全长的3.2%和1.4%,平均误差为1.32 cm和0.62 cm,占全长的1.7%和0.8%。实验结果与仿真值比较接近,说明可以依据仿真结果对不同光栅间距下的三维形状误差进行预测。结合具体的应用场景合理配置测点资源,在较低的成本范围内实现高性能的检测。     

EFPI腔内损耗对干涉条纹可见度的影响

利用多光束干涉原理和几何光学方法,分析了非本征F-P干涉仪(EFPI)腔内损耗对干涉仪的影响,详细推导了EFPI腔长与反射光干涉条纹可见度之间的关系,确定了在可测条纹可见度的要求下EFPI腔长的范围.     

基于可调谐激光器的光纤光栅波长解调系统误差分析与补偿

基于可调谐激光器的光纤(Bragg)光栅(FBG)波长解 调系统性能受激光器控制电路、调制参数以及光电探测器(PD)性 能、弱信号采集与放大电路等诸多因素的影响,着重研究了可调谐激光器调制参数中扫描频 率对光栅波长 解调系统的影响,发现波长解调误差随扫描频率的不同而呈现一定的规律,对波长解调误 差与激光器的 扫描频率进行了拟合。将拟合结果植入解调程序中,对激光器当前扫描频率下的解调波长进 行实时误差补 偿,并实验验证了误差补偿后的效果。结果表明,进行误差补偿后系统最大波长解调误差比 之前减小6.0 倍,其中由激光器扫描频率不同导致的波长解调误差和均方差(SD)分别比补偿之前减小2.2倍。最 终 使得基于可调谐激光器的FBG波长解调系统整体波长解调误差控制在1.38pm以内,有效地满足了高 速FBG系统对解调波长准确性和稳定性的要求,适用于高频动态信号的解调。     

基于时差辨识的机翼模型光纤冲击定位方法

针对机翼结构低速冲击载荷定位需求,提出了 一种基于时差辨识的冲击载荷定位方法。首先采 用Teager能量算子处理冲击响应信号,以提升响应信号时间分辨能力;在此基础上,给出了 基于时差二分原理的冲击区 域定位方法以及基于时差曲线拟合的冲击坐标计算方法。构建基于机翼模型的分布式光 纤监测系统,分别实现针 对冲击载荷的区域定位与精确坐标预测。试验结果表明:在长为120 cm的大展弦比机翼模型上随机选取5个测试点进 行低速冲击定位识别,实现了所有冲击测试点的区域辨识,正确率高达100%;坐标定位的平 均误差为8.4cm。本文方法 仅利用5个光纤布拉格光栅(FBG)传感器和低采样率FBG信号采集系统能够有效地实 现冲击载荷位置辨识,具有监测网络简洁、辨识快速和实用性强等特点。     

基于动态法布里-珀罗腔的光纤光栅温度传感

提出一种动态非本征法布里-珀罗(F-P)腔对波长的解调方法。利用压电陶瓷(PZT)构建的动态非本征F-P腔调制光纤布拉格光栅(FBG)反射光,理论分析得到调制光强随F-P腔的腔长改变呈类余弦变化。经数值模拟,当PZT在正弦电压驱动下,F-P腔调制输出的类余弦信号因FBG波长的变化产生了信号曲线的位移,且位移量与FBG波长的变化量呈线性关系,此关系可用于FBG波长的解调。通过动态F-P腔与光纤光栅构建的温度测量实验系统,对不同温度下的液体进行实验测试,在35℃～80℃温度变化范围内验证了液体温度变化量与类余弦信号的位移量呈线性关系,其线性拟合度达99.5%。     

光纤布拉格光栅传感解调中的寻峰算法

分析比较了光纤布拉格光栅(FBG)传感解调系统的6种寻峰算法:蒙特卡罗(Monte Carlo)算法、直接比较法、二次插值数值微分法、一般多项式拟合法、多项式-高斯公式拟合法和高斯公式非线性曲线拟合法。通过分析算法理论误差,结合算法仿真和实验研究,给出了算法误差及相关影响因素。研究发现输入信号的信噪比与寻峰算法的算法误差呈线性关系,相同条件下,高斯公式非线性曲线拟合法获得的精度最高。在光纤布拉格光栅传感实验系统中,对于信噪比为40dB的输入信号,算法的寻峰精度可达到0.44pm。结果表明,算法输入信噪比是影响寻峰算法中算法误差的决定因素,寻峰算法中的最佳算法为高斯公式非线性曲线拟合法。     

光纤法-珀传感系统高分辨率复用信号解调方法

提出了运用信号自相关矩阵特征值(EVD)/奇异值分解(SVD)的谱估计方法对法布里-珀罗(F-P)传感器的频分复用系统进行实时、高分辨率和低串扰的信号解调。从理论上分析了该方法对法-珀传感器复用信号解调的可行性,并在短采样数据长度条件下对两个传感器的并联复用信号进行了解调以及串扰的实验研究。实验表明,与离散傅里叶变换法(DFT)、Pisarenko等算法相比,该方法分辨率更高,在两传感器的腔长差低至20μm时,运用该算法仍可以实现准确的解调,而因串扰引起的应变误差小于±12με;此外,短的采样数据长度决定了该算法的运算量较小,信号处理速度较快。因此,该方案在大容量准分布式传感网络系统中将具有极大的潜在应用价值。     

基于边缘滤波法的光纤光栅振动传感器解调技术

为了满足各种场合中对振动信号监测的需求,基于长周期光栅的边缘滤波原理,设计了一种结构简单、低成本的光纤布喇格光栅振动传感器解调系统。系统在硬件部分采用双光路结构及低噪声光电转换电路,解调及显示软件基于LabVIEW平台开发。通过在可调谐振动台上试验,证明了系统能实现对振动传感器可用范围(0Hz~300Hz)内振动信号频率的解调,误差在3%以内。结果表明,振动加速度与模拟信号伏值成线性关系,拟合得到本系统的比例因子为0.94,拟合程度为0.9752,可对加速度在0~4.7g范围内的振动信号进行振动加速度解调。