ADuC824在光纤光栅传感复用网络中的应用

采用高性价比的ADuC824微处理器作为核心控制部件，利用可调谐窄带滤波器作波长解调器件，设计实现了多点光纤光栅传感复用网络系统。采用了波分及空分复用技术，由多个光纤光栅传感器构成分布式传感网络。可对各传感光纤光栅进行静态或动态的波长解调，具有结构简单、操作方便和性能价格比高的优点。在实际应用中，可以利用这一解调方案代替光谱分析仪或其他价格昂贵的波长检测仪器，对光纤光栅传感信息进行现场测量。     

光纤光栅空分光复用传感系统的研究

介绍了一种光纤光栅空分复用传感系统,并将光纤光栅的传感特性应用于结构健康检测系统中。宽带光源发出的光波进入光栅阵列时,利用光开关选通不同光路实现FBG空分复用传感系统。系统采用等腰三角形悬臂梁调谐装置对FBG进行挠度加载,利用非平衡M-Z干涉技术对传感信息进行解调,将包含被测应变信息的FBG波长信号转变成相位信号,从而得到被测应变的大小,成功地实现了空分复用传感。该系统可用于静态应变和动态应变的检测,具有高分辨力、大测量范围的特点,其传感分辨率为7.3 nε,灵敏度的实验值为0.82°/με。     

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.     

光纤光栅传感系统信号解调技术的研究

实现波长编码信号的解调，是光纤光栅传感系统实用化推广的关键技术之一。文中讨论了光纤光栅传感信号解调的基本原理，分析了国内外提出的常用解调方法的工作机理、特点和性能，并总结了信号解调过程中存在的主要技术难点及发展方向，为基于光纤光栅传感系统的解调部分的设计提供了依据。     

基于布拉格光纤光栅的微位移传感器的研究

微位移测量是目前热点研究领域,光纤布拉格光栅作为良好的传感元件,已被用于微位移测量领域。本文首先对布拉格光纤光栅传感的基本原理进行了分析,在此基础上设计制作了一种光纤光栅位移传感器。采用布拉格光纤光栅作为传感元件,利用自解调法进行波长解调,然后设计一整套传感系统,对微位移量进行了传感测量。利用激光干涉仪和PI微动平台对系统性能进行测试,实验结果显示传感系统分辨率达到50nm,系统回零重复性的误差26nm,系统的灵敏度为21mV/μm,最大非线性引用误差为2.45%。     

光纤环镜在光栅传感解调系统中的应用

为实现高稳定性、高精度的波长干涉解调,研究了保偏光纤环镜在波长解调结构中的应用,设计并搭建了一种基于光纤环镜的新型光纤布拉格光栅传感器解调系统.依据传统的矩阵光学原理建立理论模型,分析采用保偏光纤环镜实现干涉解调的基本原理,研究了其结构参数对解调精度的影响并进行数值仿真验证.在理论指导的基础上,搭建光路模块,并基于LabVIEW软件设计了用于消除系统结构参数误差的测定软件与解调系统监控软件,研制电路模块,构成了完整的传感解调系统.经传感检测验证,该系统在20～90 ℃对温度的分辨率为0.03 ℃,准确度可达±0.1 ℃,实验结果与理论分析相吻合,展示了该系统具有良好的稳定性,较高的检测灵敏度和较强的适用性.     

便携式光纤Bragg光栅波长解调仪的研制

近年来光纤光栅在传感领域中的应用研究日益得到关注，其中光纤光栅波长解调是光纤光栅传感器得到应用推广的关键之一。针对大型建筑结构监测应用领域，研制了一种便携式光纤Bragg光栅波长解调仪。解调仪基于无源比例解调原理，以熔融拉锥器件作为线性滤波器，采用锁相放大技术提取微弱信号，并利用单片机控制光纤Bragg光栅波长信息的采集、显示以及存储。解调仪结构简单、成本低，可实现大量程波长测量。实验表明，该光纤光栅解调仪解调范围达15nm，波长测量精度为12．4pm。     

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.     

双光栅匹配解调系统线性解调模型的研究

对双光栅匹配波长解调法进行深入研究,得到一种线性解调的理论模型并进行了实验验证.理论和实验研究表明,若两个解调光栅的带宽相等,则两个探测器输出电压之比的对数与被测传感光栅的中心波长成严格的线性关系;测试过程中的附加偏置电压对解调系统的性能有严重影响,系统的解调精度、灵敏度和线性范围均随偏置电压的增大而逐渐减小.另外,在此线性解调理论的基础上,提出了可调谐双光栅解调法,该方法不仅可以扩大原有系统的解调范围,而且能够用于多个光纤光栅中心波长的解调.     

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.     

Small diameter fiber Bragg gratings and applications

Small diameter optical fibers are preferred in sensing systems as they have less influence on mechanical performance of smart composite. The static and dynamic monitoring capabilities of the small-diameter fiber Bragg gratings (FBG) are experimentally studied in this paper. Firstly, a small-diameter FBG is used as a strain sensor. Secondly, a temperature sensor is fabricated using a specific FBG. Thirdly, a simple sensing system is proposed in order to discriminate temperature at sensing point. Finally, utilization of these small diameter FBGs for vibration monitoring is discussed. The experiments revealed that the central wavelengths of the small-diameter fiber Bragg gratings shift linearly with strain or temperature. The FBG is more sensitive than a thermocouple inside the thermostat. Acquisition and analysis of the dynamic signal indicates that the designed FBG can be used for dynamic signal monitoring.     

利用超短FBG光谱线性区的传感解调系统

为了研究一种星载光纤光栅传感解调系统,通过高掺锗光纤载氢增敏和优化紫外曝光功率,实现了栅区长度小于0.5mm,反射率大于40%,3dB带宽大于5nm,反射谱边缘有效线性区域大于2nm的超短光纤光栅的写制。提出了一种将超短FBG作为传感器件,利用其光谱线性区进行传感解调的方法。将中心波长位于光谱线性区域的稳频激光入射到超短光纤光栅,随着超短光纤光栅光谱的漂移,反射光的功率随之变化。由于稳频激光位于线性区域,返回光功率与光谱漂移量呈线性关系,因而可实现传感测量。将该系统用于应变和温度的测量,结果表明,光功率随应变、温度变化具有较好的线性关系,线性度分别为0.997和0.999,灵敏度分别为54.59nW/με和230nW/℃。该方法可用于温度及应变的精确测量,并且具有结构简单、功耗小、测量空间分辨率高等潜在优势。     

用于复合材料蒙皮的FBG正交传感网络研究

为了实现对复合材料蒙皮的结构健康监测与损伤识别,本文在对光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器理论分析的基础上,结合CFRP材料特性和波分复用技术设计了一种由16个FBG传感器构成的光纤光栅正交传感网络布局,对碳纤维复合材料(CFRP)蒙皮进行相关准分布式传感网络研究。通过对复合材料中心位置进行逐级加载实验,并提取中心波长漂移量做相关性分析,证明了正交对称FBG传感网络对CFRP蒙皮进行结构健康监测的可行性,同时对称布局位置处的FBG传感器信号具有高度相关性质,相关系数可高达0.9996。实验结果为进一步研究准分布式FBG网络的位置布局优化以及传感网络的可靠性冗余设计提供了依据。     

5MN光纤布拉格光栅力值传感器

针对山体滑坡中大力值监测的应用需求,提出了基于光纤Bragg光栅(FBG)的5 MN力值传感器。该传感器采用8根FBG构成4组光栅偶对圆柱弹性体的应变进行采集,光栅偶能有效地补偿温度对FBG尺寸的影响。通过ANSYS数值模拟计算并优化了圆柱弹性体的结构尺寸,并按照国家规程进行了传感器检定实验。实验结果表明,该传感器的直径为124mm,长度为302mm,应力测量范围为500~5 000kN,综合精度为1%,最大力值对应的波长变化为2 567pm,灵敏度为2kN/pm。该传感器除具有光栅传感的基本特点以外还具有结构简单、量程大、精度高等优点,不仅适用于滑坡力值监测,还适用于建筑、化工、煤矿、军事等领域的力值监测。     

基于LabVIEW的光纤布拉格光栅多节点应变监测技术

针对光纤光栅传感系统多节点有源地址查询技术,发展了一种基于LabVIEW软件平台的虚拟仪器,控制模拟电子开关各信道的导通时间,将来自传感光栅的脉冲信号按时序分配至各光纤光栅对应的输出信道,而且使开关动作与环行腔激光器中F-P滤波器的扫描同步。系统的测量范围为-672~672με,分辨力为5.9n,ε1540nm波长时系统传感灵敏度的实验值为1.57°/με,与理论值1.59°/με基本吻合。     

A new flexible FBG sensing beam for measuring dynamic lateral displacements of soil in a shaking table test

In this paper, the design, validation, and application of a new flexible fiber Bragg grating (FBG) sensing beam are presented for effectively measuring dynamic lateral displacements inside soil mass in a shaking table test. The special flexible FBG sensing beam has been fabricated by employing a series of FBG sensors along with design of temperature compensation. Based on this design, equations of converting strains to lateral displacements are derived by using both differential and integral methods. Subsequently, the effectiveness of the FBG sensing beam has been verified in a shaking table test with non-contact laser displacement sensors (LDSs). The dynamic lateral displacements at different depths of the soil mass in the shaking table box throughout time history are calculated by differential and integral methods and compared with the results of LDSs. The comparison validates the measurement accuracy of the FBG sensing beam. Additionally, the Fast Fourier Transform (FFT) analysis result demonstrates that frequency measured by the sensing beam fits well with the results of traditional accelerometers and LDSs. Therefore, it can be concluded that the flexible FBG sensing beam is compatible with the stiffness of the soil and is capable of measuring dynamic lateral displacements with good accuracy in a shaking table test.     

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。     

基于双通道M-Z干涉仪的FBG光开关研究

为降低电光开光的插入损耗并提高性能,提出了一种基于双通道可调谐马赫-曾德(M-Z)干涉仪制作的光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,简称FBG)光开关,通过改变干涉仪中的可调电动光纤延迟线的延迟时间,实现滤波谱周期的可调谐。通过改变干涉仪其中一臂的延迟时间设定,该光开关能够实现对设定波长光波的开关功能。对光纤M-Z干涉滤波原理进行了理论分析,使用C波段宽带放大自发辐射光源对双通道可调M-Z干涉仪的性能进行了测试。结果表明,其可实现大范围及高精度的滤波调节功能。对基于双通道可调谐马赫-曾德干涉仪制作的FBG光开关,通过FBG开关性能检测系统实验,得到该光开关在波长为1 550nm处的输出光谱,光开关的消光比达到25dB。结果表明,该光开关能够实现大范围高精度滤波功能,具有高消光比、结构简单和易于调节等优点。