扫频激光器扫描非线性的优化及其在光纤光栅解调中的应用

为了研究基于压电陶瓷的法布里-珀罗(F-P)波长滤波器扫描非线性的物理机理及优化方案,搭建了基于F-P滤波器的扫频激光器。用基于梳状滤波器的透射时域法研究了扫频激光器输出的非线性特性,获得了不同扫描频率下的扫频非线性特性的变化情况,认为这是由于可调谐滤波器中的执行器——压电陶瓷的容性负载特性引起的。结合光谱测量法,获得了动态扫频线性度、扫频范围与驱动频率的关系,实验结果与理论分析结果相符。最后,提出了优化扫频非线性的驱动参数方案。通过在驱动源后增加电压跟随器提高了驱动源的负载能力和高速扫频的线性响应特性,并应用于光纤光栅解调。实验得到了1 000Hz扫频速度下的线性解调结果,即解调线性度为0.998 44。     

模型驱动的光纤光栅波长解调系统性能分析

为了揭示波长扫描方法中影响光纤光栅波长解调性能的因素,并为该方法的进一步发展提供必要的理论依据,开展了波长解调系统建模、仿真与实验研究工作。首先,根据信号的传输路径,建立了波长解调系统模型,并对波长解调原理进行了深入分析;接着,通过仿真计算详细研究了系统中光滤波器带宽、扫描范围与扫描范围内的有效采样点数、压电位移器的迟滞性与非线性对波长分辨率、误差等的影响;最后,搭建了光纤光栅波长解调系统,并进行了实验分析。实验中,通过改变系统参数得到了与仿真分析中相同的结论,当解调频率为10 Hz时,光纤光栅波长分辨率达到0.25 pm,当解调频率为100 Hz时,光纤光栅波长分辨率达到2.5 pm,实验结果验证了系统模型的有效性。     

基于FPGA和以太网接口的光栅解调应用

光纤光栅的传感信息是采用波长编码的方式进行的,解调的关键就是把传感信息从波长编码中完整地解调出来.文中介绍的光栅解调系统采用F-P滤波器对ASE光源进行扫描;采用FPGA作为控制核心;采用DM9000A完成网络接口设计,在FPGA内部实现了对光栅传感信号质心解调算法的程序设计和以太网接口控制程序的设计,FPGA具有多通道高速同步解算的能力,在对F-P滤波器500 Hz的扫描速率下,很好地实现了光纤光栅波长的同步实时解算.解调系统的解调精度可达到2 pm左右.     

利用双参考光纤光栅的光纤光栅传感解调系统

光纤Bragg光栅是一种波长调制型光纤器件,利用光纤Bragg光栅反射波长对某外界参量(即待测量)的敏感效应,可以研制出光纤光栅传感器.对于光纤光栅传感系统而言其关键技术是如何解调,而在使用可调谐F-P滤波器解调时,只是注意避免光纤光栅的交叉敏感,却忽略了对可调谐滤波器的稳定性考虑.通过对可调谐F-P滤波器性能的分析,利用双参考光纤光栅得出基于可调谐F-P滤波器解调的准分布式光纤光栅传感解调系统,该系统对于外界环境稳定性好,测得数据可靠.     

光纤光栅传感器实时解调系统

通过对FPGA和可调光纤F-P滤波器原理的研究,设计了一个具有高速率、高精度、低成本等优点,并且可以直接输出对应于波长变化的电信号,实现准确的多点实时测量的解调系统。文中给出了该系统的主要器件选择以及软硬件设计方案。实验证明,该解调系统的动态扫描范围达50 nm,分辨率达到1.8 pm.     

基于可调谐F-P滤波器的光纤光栅传感解调系统寻峰算法对比分析

设计出一种基于可调谐F-P滤波器的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感解调数据采集与处理系统.为了尽可能提高光纤光栅传感器的精度,分别采用质心法、三次样条插值法、最小二乘法、高斯多项式拟合法等对数据采集系统获取的原始信号数据进行光纤光栅波长寻峰算法研究,并分别将拟合结果与光谱仪测量波长数据进行比较.结果表明,高斯多项式拟合法精度和稳定性较好,且能满足实时性要求.     

新型光纤压力传感器

提出了一种基于非本征法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉腔的新型光纤压力传感器及解调方案.采用石英毛细管和端面镀膜的光纤制作F-P传感器,光源经过腔长受压力调制的F-P传感器选频后,用平面光栅和线阵CCD实现光波波长的解调.阐述了光纤F-P传感器的结构和原理,对其解调系统进行了设计分析,并进行了实验验证.系统结构简单,精度和可靠性高,实用性强.     

基于光纤F-P滤波器的FBG传感解调系统

通过对光纤F-P滤波器原理的研究,提出了一种基于光纤滤波器的光纤Bragg光栅(FBG)传感解调系统,该系统不仅具有体积小、价格低、光能利用率高、操作简单等优势,而且可以直接输出对应于波长变化的电信号,实现准确的多点同时测量.通过该系统测出一组典型数据后再运用曲线拟合或者插值等相关运算便可以确定光纤光栅反射中心波长的微小偏移量,进而得到外界物理量的变化.对该方案的主要器件选择、软硬件设计进行了详细介绍.该解调系统的动态扫描范围达50 nm,分辨率达到2 pm.     

基于梳状滤波器的光纤光栅传感系统解调方法

针对现有光纤光栅解调系统存在的非线性和温度敏感性现状,提出并实验验证了一种基于梳状滤波器的波长解调方案。通过测试分析了梳状滤波器和可调谐Fabry-Perot滤波器的光学特性。并利用光学仿真软件Optisystem构建试验平台进行仿真计算,仿真结果和理论结果具有很好的一致性。搭建了解调实验平台,通过温度特性试验,实现了光纤光栅传感器对温度良好的线性特性。测试结果表明:系统精确度较高,测量误差小于3 pm,波长均方误差小于1.4 pm。     

光纤珐珀-光栅传感器通用解调系统研究

提出了用于光纤珐珀传感器(FFP)和光纤布拉格光栅传感器(FBG)的通用解调系统方案,研究了高精细度光纤珐珀可调滤波器(FFP-TF)对传感器的解调原理及系统的组成.初步实验结果表明本系统能够对上述两种传感器进行调解,FBG和FFP传感器的应变测量精度分别在0.5με和2με以下,是一种低成本、通用的解调系统.     

用于光纤光栅传感的低成本高分辨率多通道波长解调仪

本文报道一种用于光纤光栅传感的低成本高分辨率多通道波长解调仪。基于薄膜滤波技术的密集波分复用模块已被广泛用于光纤通信系统中，在本文中，采用已商品化的薄膜密集波分复用模块同时完成了以波分复用方式连接的多个光纤光栅传感器的信号分离与波长解调功能，研究了一种结构简单、低成本、高分辨率的光纤光栅传感系统。该传感系统的特点是可用于多通道动态测量。本文将具体介绍一种旧通道传感系统，该系统在3kHz频率下的动态应变的分辨率优于1nε√Hz。     

Novel Gas Concentration Measurements based on Harmonic Detection and a Broadband Light Source

The determination of gas concentration based on harmonic detection was studied theoretically and experimentally. The principle of second harmonic detection technology based on a broadband light source and the impact of modulation parameters on the harmonic signals were analyzed theoretically. The principles of multiple modulation were analyzed in order to improve the detection resolution. A fiber Bragg grating bonded to a carbon fiber cantilever was designed to achieve wavelength modulation. The impact of the modulation frequency and voltage amplitude on the second harmonic signals were studied experimentally. The output of the detector and the impact of the random noise were analyzed at different modulation frequencies and amplitudes. The optimum frequency and amplitude were determined to be 40 Hz and 2 V. The measurement of acetylene was carried out using this system. The results show that the gas measurement limit was 500 ppm, the stability was 3.92%, and the system sensitivity was 1 µV/ppm.     

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.     

一种新型的高压电器温度在线测量系统

基于螺旋形液晶填充光子晶体光纤的温度传感特性,提出一种新型的高压电器温度传感器系统。该传感器系统由宽带光源、螺旋形液晶、光子晶体光纤、光纤F-P腔(Fabry-Perot cavity)滤波器、信号处理放大电路等组成。将螺旋形液晶封装在光子晶体光纤的纤芯空气孔中,利用光子晶体光纤对温度和弯曲不敏感特性以及螺旋形液晶的螺距对温度变化非常敏感的特性,传感器的选择反射光波长依赖于温度的变化,采用光纤F-P腔滤波器解调出光波长的变化,利用反射波长与温度之间的关系,实现温度的测量。测量系统选用合适液晶,可以得到不同的温度测量范围,能对高压电器温度进行在线检测,测量精度可以达到±0.1℃以内,并具有本征安全、高精度、高电绝缘和抗电磁干扰、对应变和环境光变化不敏感以及与普通传输光纤兼容性好等优点。     

Design and analysis of a novel mechanical loading machine for dynamic in vivo axial loading

This paper describes the construction of a loading machine for performing in vivo, dynamic mechanical loading of the rodent forearm. The loading machine utilizes a unique type of electromagnetic actuator with no mechanically resistive components (servotube), allowing highly accurate loads to be created. A regression analysis of the force created by the actuator with respect to the input voltage demonstrates high linear correlation (R(2) = 1). When the linear correlation is used to create dynamic loading waveforms in the frequency (0.5-10 Hz) and load (1-50 N) range used for in vivo loading, less than 1% normalized root mean square error (NRMSE) is computed. Larger NRMSE is found at increased frequencies, with 5%-8% occurring at 40 Hz, and reasons are discussed. Amplifiers (strain gauge, linear voltage displacement transducer (LVDT), and load cell) are constructed, calibrated, and integrated, to allow well-resolved dynamic measurements to be recorded at each program cycle. Each of the amplifiers uses an active filter with cutoff frequency at the maximum in vivo loading frequencies (50 Hz) so that electronic noise generated by the servo drive and actuator are reduced. The LVDT and load cell amplifiers allow evaluation of stress-strain relationships to determine if in vivo bone damage is occurring. The strain gauge amplifier allows dynamic force to strain calibrations to occur for animals of different sex, age, and strain. Unique features are integrated into the loading system, including a weightless mode, which allows the limbs of anesthetized animals to be quickly positioned and removed. Although the device is constructed for in vivo axial bone loading, it can be used within constraints, as a general measurement instrument in a laboratory setting.     

光纤Bragg光栅传声器设计

在详细分析光纤Bragg光栅(FBG)振动传感原理的基础上,设计了基于悬臂梁结构的光纤光栅传声器.系统采用结构简单、解调速度快的线性斜边滤波解调方法,选用1 531 nm/1 551 nm的CWDM作为滤波器件,其边带斜率为13 dB/nm.分别进行了单频信号(300 Hz和4 kHz)测试实验及声音信号测试实验,表明该传声器具有良好的频率检测性能和较高的信噪比,可以无失真地传递人的声音.而且,该系统可以实现光源复用,降低系统成本.     

频域时空图像测速法的图像滤波器敏感性分析

时空图像测速法是以河流表面图像中测速线为分析区域、通过检测合成时空图像的纹理主方向计算得到一维时均流速的测量方法,具有空间分辨率高、实时性强的特点。在实际应用中纹理主方向的检测精度难免会受到水面紊流、倒影、耀光、障碍物、降雨等环境扰动的影响,导致测量出现粗大误差。频域滤波技术是一种抑制噪声的有效方法,能显著提高时空图像的纹理清晰度。但现有研究在滤波器参数的敏感性分析方面存在不足,使得该方法的适用性受限。对此通过在水文站搭建在线视频测流系统采集了不同条件的河流水面视频数据,分析了6种典型场景下时空图像的空域及频域特性,进而开展了频域扇形滤波器方向角、通带夹角及半径参数的敏感性分析实验。实验结果表明：采用提出的椭圆形积分区域检测方向角优于现有的单像素宽直线;当设置通带夹角为±5.3°且半径为R/2时,滤波器在上述场景下均能有效地滤除噪声干扰。使得时空图像纹理主方向的检测精度在正常场景下达到0.1°,在复杂含噪场景下控制在0.5°以内,表面流速测量的相对误差小于6.2%。     

基于光纤布拉格光栅的化学传感器

除掉光纤布拉格光栅的包层,可以使它的布拉格波长对外界环境的折射率变化敏感。采用氢氟酸腐蚀掉光纤布拉格光栅的包层,获得了直径约为6 μm的布拉格光栅。实验研究了布拉格波长对化学溶液的浓度敏感性特征,结果表明:采用10 pm分辨率的光谱仪,丙二醇溶液在低浓度时的浓度分辨率为0.7%,在高浓度时的分辨率为0.32%;糖溶液在低浓度时的分辨率为0.55%,高浓度时为0.1%。采用商用的分辨率为1 pm的高精度波长解调系统,它们的分辨率可以提高一个数量级。     

可调谐F-P腔进行锥形光栅反射带宽解调的应力测量方法

理论分析和实验验证了通过对锥形光栅反射谱进行带宽解调来获得环境应力/应变的可行性,提出了对锥形光栅反射谱采用可调谐F-P腔进行带宽解调的方法,通过应力加载实验对该带宽解调方法进行了验证,并取得了较好的反射带宽解调和应力测量效果。实验证明,该测量系统实现了对温度变化不敏感的应力测量,同时具有较高的灵敏度,应力测量精度为0.060 N。在进一步进行锥形光栅中心反射波长解调的基础上,该方案可实现温度和应力的同时测量。     

光纤光栅用于低阻抗材料动态性能测试的研究

光纤Bragg光栅用于材料性能测试是一个重要的研究方向。本文介绍了基于分离式霍布金逊压杆(SHPB)的低阻抗材料动态性能测试的原理;探讨了光纤光栅传感器用于SHPB实验装置中应变测试的相关问题;推导了低阻抗弹性杆中传播的应力波σ与光纤光栅传感器的波长漂移量ΔλB之间的关系式;构建了光纤光栅高频动态应变测试系统,对SHPB实验装置中被撞击弹性杆的表面应变进行了测试,并与现有仪器进行了对比;实验结果显示,构建的光纤光栅动态应变测试系统在10KHz的频率范围内,具有40dB的信噪比;研究表明,光纤光栅在低阻抗材料的动态性能测试中具有很好的应用前景。