金属环封装低频光纤布拉格光栅振动传感系统研制

研制了一种金属环封装的单柱体芯轴式光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器,搭建了基于非平衡迈克耳逊干涉仪相位载波调制(PGC)解调技术的FBG振动传感器解调系统,实现了低频振动信号的高精度实时解调,并分析了各参数对传感器谐振频率和灵敏度等特性的影响。实验结果表明,研制的FBG振动传感器谐振频率为388Hz,在10～200Hz频率范围内,传感器的加速度灵敏度约为81pm/g,且加速度响应平坦,起伏小于1dB,与理论分析结果基本一致。研制的振动传感器可实现200Hz以下低频振动信号的实时检测,解调系统的波长检测精度为1.07×10-3 pm,最小可检测加速度为1.3×10-5 g。     

Implementation of Phase Generated Carrier Technique for FBG Laser Sensor Multiplexed System Based on Compact RIO

This paper presents the fundamental technique of phase generated carrier （PGC） and its realization on compact reconfigurable input and output （RIO） which adopts real-time and field programmable grate array （FPGA） techniques. Improvement of the PGC technique is also introduced by using peak-to-peak value detection method to reduce the influence of variation of the light intensity. A four-element fibre Bragg gratings （FBG） laser sensor system is conducted in the experiment and the demodulated results demonstrate correlation coefficient as high as 0.995 with the reference signal and the dynamic range to be 120dB@63Hz.     

定点化PGC数字解调算法原理与应用

PGC数字解调系统中,随着采样率的提高和光纤阵列规模的增大,所要处理的数据量成倍增长,计算精度也有更严格的要求。传统数字信号处理系统的浮点处理能力较低,已经不能满足PGC数字解调系统的应用需求。提出了定点化的PGC数字解调算法,并应用于基于龙芯2E处理器的并行信号处理平台。实验证明,该方法在计算精度和处理能力上均满足PGC数字解调系统的应用需求。     

高分辨率光纤激光传感系统

提出并实现了一种基于光纤光栅(FBG)激光器的高分辨率光纤传感系统。通过在一段高增益有源光纤写入光纤光栅形成光纤激光传感器,待测信号作用在激光器上引起激光频率变化,采用偏振无关的非平衡迈克耳孙光纤干涉仪将激光频率变化转化为干涉仪相位变化。干涉仪输出的信号经过光电转换后,用采集卡转换为数字信号输入计算机,最后利用改进的归一化相位载波(PGC)解调技术,实现信号的高分辨率解调。实验表明该传感系统的动态应变分辨率达到了5.6×10-4nε/Hz,并且解调结果与待测信号具有良好的线性关系。     

光纤Bragg光栅低频振动传感器的特性研究

设计了一种安装于双圆柱弹性环内并由多条弹性薄片条组装成的桶形骨架作为光纤Bragg光栅(FBG)振动传感器基底的传感结构,振动传感器的谐振频率为440Hz,加速度灵敏度约为76.4pm/g,采用相位载波调制式FBG振动传感器解调系统进行解调。实验结果表明,本文传感器经双圆柱弹性环对横向振动约束处理后,其幅频特性在20～300Hz频率范围内呈现出平坦的水平直线,对应于位相角φ=0处的相频特性曲线也呈现出平坦的水平直线,适合于工程技术中20～300Hz的振动信号实时检测。     

一种高频双FBG加速度传感器及其解调方法

为了适应光纤传感器在高转速机械设备安全监测 中的应用,设计了一种双光纤布拉格光栅(FBG)对称式 的高频光纤光栅加速度传感器,并提出一种新的匹配FBG解调方法。阐述了传感器 的结构和工作原理,利用有限元方法分析了传感器的静态与动态特性,并通过实验对传感 器的灵敏度、幅频响应特性和横向 抗干扰能力等方面进行了测试。提出了基于比值法的匹配光纤光栅解调原理,消除了光源不 稳定 等因素对检测精度的影响。实验结果表明,本文传感器谐振频率为900Hz,灵敏度为88mV/g,加速度测量 范围大于80m/s²,横向 灵敏度系数小于10%,并具备较好的抗干扰能力。     

基于FPGA的光纤光栅温度传感器高速解调系统

为了实现对光纤光栅温度传感器的高速解调,采用了一种基于现场可编程门阵列和小型光谱仪模块的光纤光栅温度传感器高速解调系统,利用放大自发辐射光源产生的近红外宽带光辐射,照射光纤光栅温度传感器,对其反射光通过高斯拟合寻峰算法确定中心波长,并由中心波长偏移量判定环境温度的解调方法,进行了理论分析和实验验证。结果表明,在30℃~60℃温度范围内,完成了解调速率达20kHz、温度灵敏度为12.49pm/℃的高速温度测量,实现了对光纤光栅温度传感器的高速解调。     

Dynamic Temperature Compensating Interrogation Technique for Strain Sensors With Tilted Fiber Bragg Gratings

In this letter, we propose a novel method of edge filter linear demodulation using tilted fiber Bragg gratings (TFBGs) in a fiber sensor system. Based on the filter characteristics of TFBGs and the same temperature characteristics as the FBG, the strain sensor demodulation system with dynamic temperature compensation can be achieved. An experimental system is built up to achieve one or multichannels of sensor demodulation. The experimental results were analyzed in detail. Using this method based on intensity, linear demodulation with a bandwidth of 6 nm can be achieved. The advantages of this system are an all-fiber design, quasi-static and dynamic operation, and potential high-speed demodulation.     

基于SoC的FBG传感网络解调系统设计

为了有效解调FBG传感阵列,提出了一种基于片上系统SoC的FBG图像解调系统方案,可在FPGA硬件平台上实现图像采集、通信等功能,将FBG阵列的波长解调转化为FBG光斑图像解调.实验表明,该系统精度高、复用能力强.     

基于实时校准技术的光纤光栅传感解调系统

报道了一种采用实时校准技术的数字化光纤光栅传感解调方案。解调系统利用锯齿波电压信号和数字相位同步信号控制可调谐光纤法布里一珀罗(TFFP)滤波器，对光纤光栅传感器阵列进行扫描式寻址，同时采用非测量环境中的参考光栅和数字温度计提供精确的参考波长，并由高速数字信号处理器(DSP)实时校准滤波器的波长读取值，很好地消除了滤波器渊谐的温度漂移、非线性和蠕动性引起的测量误差。结果表明，实验系统的波长寻址范围为1520～1570nm，扫描频率为100Hz，波长测量分辨率为5pm，应变测量分辨率为4．13με。     

FBG光纤传感器的同步探测技术

光纤光栅传感解调系统的波长校准技术是人们关注的焦点,通常是将固定波长的FBG固定在恒温箱中,以此作为光纤光栅传感解调系统的参考元件．此方法占用了宽带光源的某个波长范围,从而制约了解调系统的波长扫描范围．构建的光纤光栅传感解调系统,将FP滤波器的驱动锯齿信号转变为方波信号,以此作为同步处理所需参考信号,省去了这个固定波长的FBG传感器,充分地利用了宽带光源的波长范围,并使得解调技术简单,同时提高了外接FBG传感器的数量．     

FBG传感信号数字化可调谐F-P滤波器解调技术研究

为进一步提高光纤光栅(FBG)解调系统的性能,提出并实现了基于FPGA逻辑控制的可调谐F-P滤波(TFFP)FBG传感数字化解调系统.重点介绍基于TFFP解调技术的工作原理,并给出了此解调系统硬件设计的系统框图.解调实验结果表明,通过与光谱仪的测量数据比较,此解调系统达到了预期的目标,经标定后系统的分辨率达1 pm,动...     

宽带FBG与自相关算法提高CCD解调精度的研究

为提高光纤光栅解调算法的精度,设计了3 dB带宽在1~3 nm之间的宽带布拉格光栅与自相关算法解调系统,使用线阵CCD检测光谱,进行波长寻峰分析与实验验证。线阵CCD离散像素点之间波长间距固定,宽带布拉格光栅可得到更多有效像素数据点;自相关算法只考虑传感测量时光谱的偏移程度,可抵消背景噪声,消除光栅刻写或封装过程中操作不当引起光谱异常的影响,从而提高光栅中心波长解调精度。温度测量结果表明,使用自相关算法解调啁啾光栅与宽带光栅,误差较高斯算法分别减少54.05%和40.87%,此算法可以使啁啾光栅达到正常光栅的解调精度。并且,使用宽带光栅的解调误差仅为啁啾光栅的50%。     

基于REC技术的激光器阵列传感系统设计

分析并提出了基于重构等效啾啁（REC）技术激光器阵列的传感系统和解调算法。REC工艺满足激光器阵列的低成本大量生产,并具备小体积的优势,在未来传感领域中有较大的实用价值。提出了一种激光器扫描的高效算法用来测量光纤布拉格光栅（FBG）因外界应力而产生的位移量。系统的独特性在于阵列激光器通道仅需调谐0.4 nm采样数据,取代了扫描FBG主功率峰,并且算法在FBG的任意谱段均适用,可以用于多通道波峰复用的FBG传感网络中。在单通道和四通道的实验中对FBG反射谱的位移进行精确定位,初步实验证明了该系统和算法的有效性和可行性。算法得出单通道中心波长与实际中心波长误差均在5 pm以下,四通道可以到达在2 pm以下,应力与算法结果中心波长呈现很好的线性度。对今后多通道激光阵列传感具有一定参考价值。     

具有温度补偿功能的双匹配FBG振动传感系统研究

为了提高光纤Bragg光栅(FBG)振动传感系统的 解调灵敏度和解调范围,消除环境温度对解调信号的影响,设计了一种具有 温度补偿功能的双匹配FBG振动传感系统。系统采用两个中心波长对称地位于传 感FBG两侧的透射式匹配FBG,建立 了两个互补对称的传感通道,并利用差分原理实现振动传感。通过Matlab软件对系统性能进 行了仿真分析,结果表明,与传 统方法相比,本文方法有效地提高了系统解调灵敏度和解调范围。将匹配FBG与热电制冷器( TEC)集成封装,并建立温度补偿判断通道,当 判断通道输出电压超过已设置好的阈值时,利用TEC改变封装环境温度,使匹配FBG 与传感FBG中心波长重新匹配, 实现系统温度补偿。经实验测试,系统的归一化解调灵敏度为5.168/ nm,解调范围为1.2nm,判断通道的归一化阈值电压 为0.890。在4种不同环境温度下,利用本系统 对同一振动信号进行测量,实验结果验证了系统温度补偿的可行性。     

基于双金属膜片结构的海底地震勘探光纤加速度传感器研究

针对全光海底地震检波器技术的特殊应用需求,设计了一种基于双金属矩形膜片的缠绕式光纤加速度传感器。利用弹性力学理论对光纤加速度传感器的加速度灵敏度和一阶共振频率的特性进行了分析,制作了光纤加速度传感器样品并对其性能进行了测试。结果表明,本文加速度传感器的灵敏度为45dB re∶0dB=1rad/g,一阶共振频率在820Hz左右,与理论分析值很好吻合。在10～400Hz工作带宽中,交叉去敏度约为30dB。测试系统中,使用的相位生成载波(PGC)解调算法的最小相位检测精度为10-5 rad/Hz1/2,因此理论能探测的最小加速度信号为56ng/Hz1/2。由于采用全金属结构,本文类型光纤加速度传感器能够更好地满足海底永久布放检波器的特殊要求。     

一种用于干涉型光纤传感器动态相移测量的J0-J1法

提出了一种用于干涉型光纤传感器动态相移测量的J0-J1法,实现了无源零差检测,而且信号解调算法简单,检测频带宽。详细介绍了该方法的基本检测原理,并对解调误差进行了理论分析与仿真,得出了系统能够检测的最大动态相移幅度与干涉仪的工作点允许变化的范围相互制约的结论。编写了实时的信号采集、处理程序,对某一干涉型光纤水听器探头的声压灵敏度进行了测量。在频带20~1300Hz上,平均声压灵敏度为-162dB(0dB=1rad/μPa),波动<±1.0dB,单频点500Hz的灵敏度变化<±0.5dB,与采用相位载波(PGC)调制解调法测量的结果基本一致,验证了J0-J1法的可行性。     

基于温度补偿高双折射光纤环镜的边缘滤波解调方法

提出了一种光纤光栅传感解调新方法。系统由1个3dB耦合器、1个传感光纤布喇格光栅、1个双折射光纤环镜和1个探测器构成,高双折射光纤环镜作为边缘滤波器。光纤光栅波长的线性解调带宽为3．6nm。对双折射光纤环镜的温度补偿进行了实验研究,实验表明,封装的高双折射光纤环镜能够补偿高双折射光纤环镜的温度漂移。补偿前的高双折射光纤环镜波长随温度漂移为2．3nm／℃,补偿后的双折射光纤环镜波长随温度漂移为0．005nm／℃,远小于未补偿的双折射光纤环镜波长随温度漂移。     

基于可调谐激光器的复用传感系统的研究

为了克服复用传感系统中光源带宽及功率的制约,有效地扩大多点检测的范围,采用波分和时分复用传感技术,设计了可调谐光纤激光器作为传感系统的光源.基于耦合模方程的理论,对匹配光栅调谐光纤激光器波长扫描寻址解调方法进行了理论分析和实验研究.实验中采用可调谐光纤激光器对由4个光栅组成的两个光栅串成功地进行了波分和时分复用传感,实验获得的应变分辨率为2.9με/step.该传感系统具有经济实用性、信噪比高、可复用数目大等特点,对于多点检测的传感网络具有较大的实用价值.     

用于周界安防的光纤光栅振动传感系统研究

基于光纤光栅传感理论设计了一种应用于周界安防的低频振动传感器.采用商用解调仪OPD4000对传感器的灵敏度进行了测试,在10～100 Hz频率范围内,传感器灵敏度高于1 000 pm/g.基于非平衡迈克尔逊干涉仪相位载波调制(PGC)解调技术搭建了一套光栅传感器解调系统,实现对传感器低频振动信号的高精度实时解调,使得该系统可广泛应用于机场、监狱、油库、核场所等重要区域的周界安防中.