非连续线性啁啾取样布拉格光栅型多信道光纤滤波器的设计

介绍了一种基于取样布拉格光纤光栅获得多信道光纤滤波器的方法。通过设计一种非连续阶梯型啁啾取样的布拉格光栅结构,可以分别实现单个信道宽度为50,100和200GHz的光纤滤波器。光纤滤波器的每个信道的宽度几乎完全相同,具有平顶、峭沿和高透射率特点,相邻信道间隔离深度超过28dB,平均插入损失不超过0.1dB,3dB带宽内相位响应起伏在5～30ps。利用介绍的方法制作具有相应非连续线性啁啾系数的全息相位掩模板,易于制作,成本低,重复性好。通过改变相应的光纤光栅参数,可以实现不同信道宽度的,性能稳定、可重复性高的光纤滤波器,在高速光通信系统以及光互连中有着非常好的应用前景。     

光信号传输中光纤偏振模色散的补偿

光信号传输过程中,光纤的双折射程度受传输路径和环境条件变化的影响,所产生的偏振模色散对于光信号的影响是随机的,因此对偏振模色散进行动态补偿十分必要.利用线性啁啾光纤光栅的双折射特性制成了时延补偿单元,具有体积小、插入损耗低、非线性效应低和成本低等优点,由外加电压驱动的压电传感器给出的可调谐的横向压力来获得可调谐的差分群时延,从而对光纤链路的偏振模色散实现动态补偿.     

光网络中色散补偿和光分插复用的同时实现

提出了一种在光网络中同时进行色散补偿和光分插复用的方法,并进行了特性分析.设计中,采用啁啾光纤光栅补偿光网络中不同波长信道的色散积累,同时,让不满足布拉格反射条件的光波透过,形成下路信号.与下路信号具有相同中心波长的光信号也可以作为上路信号,进入光网络进行传输.     

一种特殊啁啾摩尔光纤光栅透射谱的分析

运用传输矩阵理论计算一种特殊啁啾摩尔光纤光栅的透射谱,主要分析恒定有效折射率区域的数量、长度和位置对该种光栅的透射谱的影响及其产生原因,以便设计适合于多信道的光纤光栅滤波器。     

基于桥梁结构的FBG传感器温度与应变交叉敏感问题的研究

对光纤布拉格光栅(FBG)传感器在桥梁结构健康监测中产生的温度与应变交叉敏感问题进行了研究。采用参考光纤光栅法在应变传感光纤光栅附近额外加入一个温度测量光纤光栅,对应变光栅实现温度补偿功能。设计了基于参考光纤光栅法的FBG传感器及FBG传感器封装的机械结构,并通过实验来验证FBG传感器的性能。实验数据表明,温度传感光纤光栅几乎不受应变的影响,应变传感光栅的中心波长变化与温度变化呈一阶线性关系,修正后的测量结果更加精确,达到了双参数同时测量的目的,应变与布拉格波长的线性关系非常好,相关系数达到0.99以上。参考光纤光栅法能够很好地解决FBG传感器温度与应变交叉敏感的问题。     

高双折射光纤光栅扭转传感器的设计

提出了一种新型的基于高双折射光纤光栅的扭转传感器结构,通过对光纤光栅的模耦合理论和高双折射光纤扭转特性的分析,建立了扭转高双折射光纤光栅传输矩阵的数学模型,并对其进行了理论仿真和实验,该系统测量范围大,分辨率为0.012°,灵敏度为0.13/rad.     

基于啁啾光纤光栅的电压传感性能研究

电压的实时测量是电力系统稳定、安全的关键。提出了一种基于啁啾光纤光栅的电压传感器,利用压电陶瓷的逆压电效应带动黏贴在其上面的传感啁啾光栅发生形变,使传感啁啾光栅的波长发生漂移,通过检测传感啁啾光栅和参考啁啾光栅反射光包络的强度变化,获取被测电压的幅值和频率信息。理论分析了电压与光功率变化的关系,搭建了带温度补偿的双啁啾光栅传感系统,实验研究了传感器的静态和实时动态特性。实验结果表明,该传感器的相关系数R2为0.999 8,电压灵敏度达到0.048mW/V,既能直接检测直流电压,也能较好地检测交流电压及其频谱信息,为在复杂环境评估电能质量提供了参考。     

利用光纤偏振分束器和保偏光纤的传感解调系统

提出了一种利用光纤偏振分束器(PBS)和保偏光纤(PMF)中偏振模间干涉原理实现光纤布拉格光栅波长解调的方案,以提高光纤光栅传感解调系统的解调精度和稳定性。运用矩阵光学原理建立了数学分析模型,由此给出了系统输出信号与光纤光栅布拉格波长之间的关系。通过仿真分析,研究了保偏光纤长度、输入光相对于保偏光纤主轴的偏振角度和光纤偏振分束器主轴方位对系统输出信号的影响,明确提出了提高系统灵敏度的方法。根据设计方案搭建了实验系统,并进行了实验验证。结果表明:该设计方案可行,系统的波长分辨率1pm,测量精度1pm,温度可测量范围为90℃。该系统测量精度高,其稳定性优于利用M-Z型干涉仪的解调装置。     

基于TDM/WDM与匹配光栅解调的高速应变测试系统

复用能力与解调速率是光纤光栅传感系统实用性的关键技术.采用在时分复用中引入了波分复用的方法,实现分布式测量,引入匹配光栅进一步降低了纯光时分复用系统中信道串扰的问题;系统中无传统扫描滤波或信道选择器件,大幅提升了解调速率.原型系统在一个风机叶片模型上进行测量与验证,实现了10 kHz速率下10个信道的应变实时监控.     

色散补偿光纤不同补偿方式的仿真研究

从非线性薛定谔方程入手,分析光纤色散和非线性效应对光纤传输系统的影响,提出利用色散补偿光纤(DCF)对色散进行补偿。比较不同的色散补偿方案(即DCF放置在系统中的不同位置进行色散补偿)补偿性能的优劣;分析占空比、啁啾系数、入射功率等参量对于方案的影响。仿真结果表明混合补偿为最佳补偿方案,同时选取合适的参量,能获取更佳补偿效果。     

Extraction and processing of real time strain of embedded FBG sensors using a fixed filter FBG circuit and an artificial neural network

Fibre Bragg Grating (FBG) sensors have been used in the development of structural health monitoring (SHM) and damage detection systems for advanced composite structures over several decades. Unfortunately, to date only a handful of appropriate configurations and algorithm sare available for using in SHM systems have been developed. This paper reveals a novel configuration of FBG sensors to acquire strain reading and an integrated statistical approach to analyse data in real time. The proposed configuration has proven its capability to overcome practical constraints and the engineering challenges associated with FBG-based SHM systems. A fixed filter decoding system and an integrated artificial neural network algorithm for extracting strain from embedded FBG sensor were proposed and experimentally proved. Furthermore, the laboratory level experimental data was used to verify the accuracy of the system and it was found that the error levels were less than 0.3% in predictions. The developed SMH system using this technology has been submitted to US patent office and will be available for use of aerospace applications in due course.     

Polarization Maintaining Photonic Crystal Fiber sensor embedded in carbon composite for structural health monitoring

Use of Polarization Maintaining Photonic Crystal Fiber (PMPCF) for structural health monitoring (SHM) of composites has been proposed and demonstrated for accurate strain measurement with very negligible temperature sensitivity. Further, this newly proposed sensor has been compared with the conventional Fiber Bragg Grating (FBG) sensor used for SHM. It is established that the embedded PMPCF in carbon composite is the better choice with enhanced strain sensitivity and less temperature sensitivity compared to the embedded FBG sensor.     

光纤Bragg光栅靶式流量传感器设计

基于工业流体流量测量技术、光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感检测技术与靶式流量计原理,针对单个光纤Bragg光栅传感系统对温度交叉敏感的问题,设计并且制作了一种基于双光纤Bragg光栅流量传感器。该传感器采用靶盘结构作为光纤Bragg光栅流量传感器的受力元件,对温度起到了补偿作用,并且有效地提高了应变测量灵敏度。实验表明,该流量传感器的线性误差为0.31%。     

行星齿轮箱齿根应变的光纤光栅测量方法

针对行星齿轮箱故障诊断的需求,以及内齿圈齿根应变难以准确测量的工程实际问题,提出了一种光纤光栅(fiber Bragg grating,简称FBG)动态测量内齿圈齿根应变的方法。首先,通过理论分析,仿真计算得到了内齿圈齿根应变的分布曲线以及变化曲线;其次,研究了光纤光栅在非均匀应变场作用下的传感原理,从测点布置以及测量系统构建等角度分析了所提出的测量方法;最后,在行星齿轮箱实验台上开展了内齿圈齿根应变的测量实验。实验与仿真结果对比分析表明,利用所提出的测量方法获取的内齿圈齿根应变信号表现出明显的单、双齿交替啮合区间,且每个区间的范围以及各区间下齿根应变的大小与理论计算结果具有较好的一致性。与传统方法相比,该方法更加适用于行星齿轮箱内狭小空间下齿根应变的在线测量任务。     

直流切趾对光纤光栅特性的影响

从模耦合方程出发,分析了直流切趾对光纤光栅特性的影响,给出了直流切趾和光栅啁啾之间的关系,提出了用线性直流切趾来实现均匀模板制作啁啾光栅和同一啁啾模板制作不同色散特性光栅的方法。实验上,用均匀模板制作了色散量为-2 126 ps/nm的啁啾光栅,并用同一啁啾模板制作出了色散量为-1 599.362 71 ps/nm、-1 250.4 ps/nm和-2 011.4 ps/nm的光栅。实验结果表明,理论和实验符合较好。     

光纤Bragg光栅应变计在500m口径球面射电望远镜工程索力监测中的应用

为了实时监测500m口径球面射电望远镜(FAST)索网支承结构的典型索力,避免传统索力监测方法对索网支承结构的影响和工作中的电磁干扰,提出了一种间接获取索力值的方法。该方法使用光纤布拉格光栅(FBG)传感器监测索头应变值来间接测量索力。测量时将FBG应变计与补偿温度计通过专用安装底座焊接于索头线性应变区域轴向,防止直接焊接对索头结构性能的影响;然后使用温度应变补偿法补偿温度变化对FBG应变计测量结果的影响。在索体出厂预张拉过程中对该方法进行标定得到相关索力换算公式系数,从而在实际工程应用中实现了索力的测量。试验结果表明,索力与索头应变线性拟合度高达0.98,实际测量中绝对误差均方差为1.38t,在FAST工程主索工作索力范围内相对误差优于3%,满足工程需求。该方法无电磁干扰,耐用性久,布线灵活简单,已成功应用于FAST工程中的316根典型主索的索力监测中。     

用于光纤光栅曲线重建算法的坐标点拟合

以光纤布拉格光栅(FBG)曲线传感器在结肠中的形状检测为背景,提出了一种基于Frenet标架的坐标点拟合算法来提高光纤光栅曲线重建算法的精度。首先,将相互之间呈90°的四根光纤光栅贴在一根形状记忆合金(SMA Styrene Maleic Anhydride)基材周围,形成一根直径为3mm,长度为900mm的光纤光栅曲线传感器。接着,将该曲线传感器分别放置在毫米方格纸以及圆柱体上进行二维和三维曲线的重建。通过曲线重建软件读出每个数据采集点的重建坐标值,并与通过方格纸读出的标准坐标值对比得出重建误差,从而得出两种坐标点拟合方法的优劣。结果表明:使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法可有效提高重建精度。对提出的算法与常用的曲线重建算法进行了比较,结果显示:在接近光纤光栅应变极限的情况下,使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法在单方向上能够比原算法平均减小约3.5%~5.5%的误差,为进一步提高光纤光栅形状传感系统的精度奠定了基础。     

Effect of dispersion compensation on FBG sensing systems’ performance

This paper introduces the use of a fiber-optic communication system for interrogation and transmission of data from fiber Bragg grating (FBG) sensors. Signal coding and dispersion compensation methods, usually used in communication systems, are used to improve the sensing system’s performance. Moreover, communication system parameters are used to assess the improvement in the FBG sensing performance. This is done through the determination of the profiles of Q-factor and eye diagrams. The sensors considered in the simulations are strain sensors subjected to a wide range of strains. The results obtained show a clear improvement of the sensing system with symmetrical compensation. The proposed method is suitable for applications where fiber-optic links are available near both the sensing location and information-collection and-processing unit, even if these two are hundreds of kilometers apart. A good example of where such a system can be applied is the oil industry. The rigs are usually very far from headquarters, but both might be close to a fiber node. Published in Russian in Pribory i Tekhnika Eksperimenta, 2006, No. 3, pp. 115–118. This text was submitted by the authors in English.     

基于光纤布拉格光栅的载荷定位与检测方法

针对传统定位系统存在的结构复杂、实时性低、需要建立训练集等问题,提出利用光纤Bragg光栅结合直角应变花结构的方法对冲击源进行定位。在平面应变下,建立横向效应补偿因子模型和应变解耦模型,证明了光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)直角应变花结构用于定位时不受横向效应的影响。同时针对四边简支薄板结构,提出一种判定冲击载荷大小的新方法。通过不同位置两组FBG应变花分别测得的主应变方向,其交点来确定冲击源坐标;通过FBG传感器测得的轴向应变经横向效应补偿,并结合四边简支板扰度曲线和定位坐标,来对冲击载荷大小进行测量。试验表明其定位精度达到2.9 cm以内,定位实时性1 ms左右,冲击载荷大小判定误差在3 N以内。为冲击平台载荷检测提供了一种实用可行的方法。     

基于CLPG的FBG监测系统及其应用

为了实现可变体机翼的结构健康监测,提出了一种基于级联长周期光栅(cascaded long-period fiber grating,CLPG)的光纤Bragg光栅(fiber Bragg grating,FBG)监测系统.该监测系统以FBG为传感元件,以CLPG为边沿滤波器件,经CLPG调制后FBG反射光功率会发生变化,通过对FBG谐振波长处光功率的探测,从而实现FBG传感信号的监测.监测系统具有结构简单、成本低、解调速度快等优点.利用该监测系统对某型可变体机翼进行结构健康监测,结果表明该监测系统的应变分辨率为2με,实验结果与有限元分析结果相符,最小误差仅为3.27％,表明该监测系统能够用于可变体机翼的结构健康监测.