OPM在光纤传感中的应用

光纤传感随着光通信技术的成熟而得到快速发展,成为传感领域的主要方向之一,其中利用光纤布拉格光栅(FBG)的波长漂移检测环境变量的技术日趋完善.而对波长的检测,采用光性能监测模块(OPM)是一种行之有效的手段.OPM具有对光波长及波长漂移监测精确、体积小和可靠性高等特点.文章作者系统地阐述了FBG的工作原理和OPM的技术特点,并将两者组合搭建成传感测试平台.     

光纤光栅静态和动态波长同时解调技术的研究

阐述了基于可调谐滤波器(TOF)对光纤光栅(FBG)静态波长和动态波长同时解调技术的研究。将FBG粘贴于悬臂梁上,在其自由端通过砝码和激振器同时给FBG施加静应变和动应变,检测FBG静态波长和动态波长的变化。初步实验表明：准静态波长检测分辨率为1．6pm,动态波长检测分辨率为0．007pm／√Hz。     

基于单片机实现的光纤光栅应力传感器

提出了一种用单片机控制光介质薄膜干涉滤波器探测光纤光栅波长偏移量的方法,并 构建了对外界应力实时检测的光纤光栅应力传感系统。实验中采用了一种超磁致伸缩材料(GMM) ,使光纤布拉格光栅( FBG)产生有效的B ragg波长偏移,用控制电流来调控FBG的应变和Bragg波长偏移;电流加到1A～5A之间时,反射峰的中心波长的偏移量随所加电流呈线性增加的趋势,偏移量达到1. 10nm ( 1551. 94nm～1553. 04nm) 。该系统具有对应力测量结果分辨率高、精度高等优点。     

基于弱反射FBG串的随机分布反馈掺铒光纤激光器

提出一种基于弱反射光纤光栅(FBG)串的随机分布 反馈掺铒光纤(EDF)激光器。激光器利用1480nm半导体激光泵浦一 段2m 长的高浓度EDF进行增益放大,由弱反射FBG串提供随机分布反馈,具有阈值 低、线宽窄、效率高和输出稳定等优点。 实验中,在激光器谐振腔的一端用一个反射率为90%的窄带FBG进行波长选择性反射 ,在另一端连接由20个波长相同、反射 率在5‰左右的弱反射FBG组成的FBG串(总反射率为9%)提供随机分布反馈, 在最大输出功率为400mW的1480nm 泵浦激光作用下获得了峰值波长为1549.48nm、阈值功率为3mW、斜率效率达24%的窄线宽 稳定激光输出。在相同泵浦激光功 率下,间隔一定时间,多次测量激光输出光谱,证实该随机分布反馈FBG激光器具 有良好的波长和功率稳定性。     

光纤布拉格光栅的高温特性研究

采用相位掩模法制作的掺Ge石英光纤布拉格光栅(FBG)作为实验对象,监测FBG从30℃到850℃谐振波长随环境温度的变化,研究FBG的高温特性。实验结果表明,FBG处于30℃～690℃时,其谐振波长与温度间有良好的线性关系;随着温度的升高,FBG的谐振波长温度关系开始偏离其原有的线性;在温度达到837℃时,FBG的光栅特性消失;如果FBG工作在失效温度范围以内,则FBG具有良好的重复性。通过分析研究,提出了用原子弹性模型解释FBG在高温状态下失效原因的新观点。     

FBG波长高精度解调的研究进展

在恶劣的环境下能准确地检测出光纤布喇格光栅(FBG)波长对工程监测非常重要.综述了在不同的解调系统中提高波长解调精度的方法和波长信号处理方法,主要介绍了基于可调谐激光器、可调谐滤波器和光谱仪的解调系统提高波长校准精确度的研究进展,分析了信号解调过程中的算法对FBG传感解调性能的影响.     

功率加权法用于光纤Bragg光栅特征波长检测

提出了一种用于光纤Bragg光栅(FBG)传感系统中反射波位移检测的算法.采用FBG反射波波长对光功率的加权平均作为特征值进行数据处理,用于FBG传感温度补偿系统中应变参量与温度参量的分离.研究结果表明:在光源扫描步长为50 pm时,使用该算法的FBG传感温度补偿系统的检测灵敏度达到传统中心波长法检测灵敏度的10倍左右.     

基于多重曝光法的多波长FBG制备和实验研究

利用扫描曝光法,通过控制曝光前施加在光纤上的拉力,经过多次不同拉力状态下的光刻技术,实现了多波长光纤Bragg光栅(FBG)的制作。实验发现,多重曝光的子FBG位置和叠加程度对子FBG的谱形有很大的影响,只有当各层子FBG长度、位置完全重叠时,各波长光谱才不会受到短波振荡的影响;对载H增敏光纤,第n+1层子FBG的刻写,总会使前面n层子FBG的波长变大,反射率变强;而对掺Ge光敏光纤,多重曝光只将先制作的子FBG波长变大,而所有子FBG反射率都会变弱。通过合理设计曝光量,在载H单模光纤上制作了阻带谱形一致的四波长FBG。经实验测试,子FBG波长具有相同的温度系数和应变系数。     

基于粒子群算法的FBG峰值波长检测技术

提出了一种新的光纤布拉格光栅(FBG)峰值波长检测技术,将改进粒子群算法(PSO)与峰值波长检测技术相结合,应用于在光纤光栅传感网络的波长检测,解决了传统波峰检测技术要求光纤光栅传感器带宽不能重叠和最小位移波形检测计算速度慢的问题.仿真计算结果证明,即使相邻两个FBG传感器的波峰相互叠加时,运用这种方法仍能取得较高的检测精度.     

基于光谱奇偶函数分解的光纤布拉格光栅峰值检测

提出一种采用光谱奇偶函数分解的光纤布拉格光栅(FBG)光谱峰值检测算法,并进行了实验验证。FBG光谱是波长λ和光强P(λ)的函数,沿λ轴逐点移动光谱,使光谱与P(λ)轴相交;并将每个移动点下光谱分解的奇函数的最大值作为特征值。上述特征值的最小值所对应的λ即为FBG光谱的中心波长。采用非对称高斯函数叠加高斯白噪声建立FBG光谱理论模型;对FBG传感器依次施加线性递增的轴向拉力。然后使用所提算法计算理论模型和实验FBG光谱的中心波长,结果表明,与传统算法相比,该算法能够更快、更准确地检测出FBG光谱的中心波长。     

新型耐高温FBG传感系统研究

为解决传统的高温传感器不能满足对电解Al槽温等高温环境的实时在线测量问题,提出了基于波长调制的光纤Bragg光栅（FBG）高温传感系统,设计了一种新型封装结构的耐高温FBG传感头,具有体积小、灵敏度高和线性度好等特点;采用了基于InGaAs图像传感器衍射解调技术对光反射波长进行解调,缩短了系统的响应时间,提高了测量精度...     

A Novel Double-Arched-Beam-Based Fiber Bragg Grating Sensor for Displacement Measurement

A double-arched-beam-based fiber Bragg grating (FBG) sensor for displacement measurement is presented. Unlike most FBG sensors that measure the resonance wavelength shifts to detect the measurand, this kind of FBG sensor is proposed to measure the displacement based on the demodulation of the FBG's reflective spectra bandwidth. According to the strain distribution on the novel double-arched beam surface, the positive and negative strain will act on only one FBG, which is stuck on the beam surface. Thus, the positive and negative strain will make the spectra broaden as the displacement increases. What is more, the problem of cross-sensitivity in the FBG sensor is solved because temperature only affects the wavelength shift, but not the spectra bandwidth. Simulation and preliminary experimental results indicate the feasibility of the proposed idea and a fairly good linearity of the measurement characteristic.     

一种FBG靶式流量传感的结构设计及实验研究

针对传统液压系统检测中存在的传感器体积较大、测量精度不高等问题,设计了一种基于光纤Bragg光栅(FBG)的一体式靶式流量传感器。在分析FBG及靶式流量传感原理的基础上,设计一种结构紧凑、便于密封和拆装的一体式靶片,将置于流体中迎流靶片所受的与流速成对应关系的冲击力转化成FBG波长的漂移,双FBG对称粘贴于悬臂梁上下表面的中轴线上,在提高传感灵敏度的同时,有效解决了温度与应变的交叉敏感问题。通过砝码干校实验测得传感器的灵敏度为3.55pm/g,其对应的流量灵敏度为0.076L/s。实验结果表明,双FBG中心波长的变化总量与加载在靶片上的质量有良好的线性关系,灵敏度是单个FBG灵敏度的2倍,且几乎不受环境温度的影响,稳定性、可靠性较好。     

基于靶式和悬臂梁的FBG流量/温度同时测量研究

提出一种基于靶式结构和悬臂梁结合的新型流量/温度同时测量的光纤Bragg光栅(FBG)传感器。当流体流过传感器,流速的变化引起圆形靶产生应变,应变传递到等强度悬臂梁1上,进而引起粘贴其上的FBG1波长发生改变,而粘贴在悬臂梁2上的FBG2波长不发生改变;流体温度发生变化会引起FBG1、FBG2波长同时发生改变,且波长改变相同;通过测量两光栅的波长,得到流体的流量和温度。在水和蓖麻油实验得到:传感器的流量测量范围分别是400～2200cm3/s和700～1800cm3/s,温度测量范围是0～100℃。     

基于双光栅级联结构的温度及浓度传感特性测试

研究了长周期光纤光栅（LPFG）级联布拉格光纤光栅（FBG）结构的温度及浓度传感特性。利用飞秒激光直写制作LPFG并级联FBG,且FBG波谷位于1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 560.5 nm。在30~50℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对浓度为3%~30%的葡萄糖溶液进行敏感性测试。实验结果表明:升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度26.36 pm/℃,线性度0.950 8;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-24.55 pm/℃,线性度0.914 2。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度25.00 pm/℃,线性度0.945 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度为-21.82 pm/℃,线性度0.921 2。FBG对浓度变化不敏感,当浓度由3%增至30%时,LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度196.36 pm,线性度0.956 5。结果表明该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现温度和浓度的测量。     

基于衍射解调的新型光纤光栅高温传感网络

基于光纤布拉格光栅(FBG)高温传感特性,设计了一种基于波长调制的耐高温光纤光栅传感网络。系统设计了新型封装结构的耐高温光栅传感头。并针对传统FBG传感网络结构可靠性低的缺点,设计了一种高可靠分布式传感网络结构。采用InGaAs图像传感衍射解调技术对光反射波长进行解调。20～290℃范围测试实验表明,所设计的传感网络温度响应曲线平均线性度达0.9991,灵敏度为0.0258nm/℃,测量精度达±0.6℃,响应时间小于16s,稳定性高,适用于实际工作环境中的高温测量。     

FBG温度传感器交叉敏感问题的研究

基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器的温度应变交叉敏感原理,提出了一种新型的高灵敏度FBG温度传感器封装方法,该封装方法通过在金属管内设置弹簧进行预应力封装,完全隔绝外界压力对FBG温度传感器测温的影响,可有效地解决温度和应变对FBG温度传感器交叉敏感的问题,同时提高FBG温度传感器的温度灵敏度。对封装后的光纤光栅温度传感器进行温度特性测试和温度应力交叉敏感测试实验,结果表明,传感器中心波长的变化仅由温度变化引起,不受压力变化的影响。另外,该传感器表现出较好的线性度和重复性,可以达到准确测量温度的目的。     

高分辨率光纤光栅温度传感器的研究

报道了一种具有高分辨率和高效且价廉的解调系统的光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器.提出了光纤光栅的金属槽封装技术,以提高传感光栅的温度灵敏性.研究了金属槽封装光栅的温度灵敏性,理论分析和实验结果表明,封装光栅的温度灵敏系数比普通裸光栅提高了3.6倍.系统利用一长周期光栅(LPG)作为线性滤波器,宽带光源经此长周期光栅调制后入射到传感光栅,可解调布拉格传感光栅的波长位移.理论分析与实验结果一致,系统可达到的温度分辨率为0.02℃.     

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。     

基于PI湿敏薄膜的分布式光纤Bragg光栅湿度传感器

研究了基于聚酰亚胺（PI）湿敏薄膜的分布式光纤Bragg光栅（FBG）湿度传感器。传感器利用PI薄膜湿膨胀效应,将湿应变作用于Bragg栅区,从而改变光纤FBG湿度传感器中心波长的原理,实现了对26-98％RH范围内环境相对湿度的监测。通过改进PI湿敏薄膜的制备及涂覆工艺,有效提高了FBG湿度传感器性能,并采取了相应温...