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.     

基于OPC技术的光纤光栅传感器接口程序设计

Bragg光栅传感器是利用Bragg波长对温度、应力的敏感特性制成的一种新型光纤传感器,其光纤光栅传感解调系统采用的接口程序大多是基于DDE技术,稳定性较差.目前主流的组态软件都无一例外地支持OPC技术,如果光纤光栅传感器接口程序也支持这一标准,就能实现光纤传感器与各主流组态软件间无缝连接.该文以武汉某桥健康监测系统的接口程序开发为例,阐述了基于OPC规范的接口程序原理,介绍了接口程序的设计方法和设计过程.     

基于单片机的光纤Bragg光栅传感器的解调系统

长期以来,对光纤Bragg光栅传感器反射波长的检测是采用光谱仪,随着光纤Bragg光栅传感器应用的不断发展,光谱仪表现出越来越多的局限性.本文利用调谐法布里-珀罗腔多光束传播,当法布里-珀罗腔满足特定条件时其透射光可达到最强或最弱原理,建立了F-P腔解调系统模型,通过检测F-P腔的相关参数而得到所测的参变量;根据光纤Bragg光栅自身特性,建立了匹配滤波法解调系统模型,应用另一光纤Bragg光栅跟踪被测光纤Bragg光栅的变化,从而得到所测量;论文指出了应用时在这两种解调方案中需要解决的关键问题.为了提高系统测量的准确性和实时性,系统采用单片机系统处理相关数据信息.本文系统详细阐述了在解调系统中单片机的应用及相关接口模型,给出了详细的软硬件设计.     

分布式Bragg光栅应力测量系统的研究

提出了一种分布式Bragg光纤光栅应力测量系统,利用Bragg光栅作为传感基元,采用宽带光源和可调谐滤波技术对Bragg光栅阵列信号解调,实现分布式应力测量.通过理论分析和实验研究证实了系统方案的可行性,该系统应变测量的分辨率达到了33nε.     

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.     

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.     

啁啾光栅解调的FBG传感阵列系统研究

本文针对分布式Bragg光栅测量系统解调速度慢的问题,利用Bragg光栅在均匀啁啾光栅中产生时延的线性关系,提出负载波相位调制技术和啁啾光纤光栅相结合的方法,将波长变化转变为相位变化实现波长信号的解调.实验表明该解调方案有效可行,且可获得较高的测量精度和响应速度.     

桥式起重机模型挠度的光纤Bragg光栅试验研究

研制了1种利用光纤Bragg光栅对桥式起重机主梁挠度的实时在线监测模型。光纤Bragg光栅均匀粘贴于桥式起重机主梁,通过输入输出光纤与信号处理装置光连接。小车在主梁上吊挂后使主梁产生挠度,主梁作用粘贴其下表面的光纤Bragg光栅产生应变,即传感光栅的Bragg波长产生移位。利用解调仪得到的光纤Bragg光栅中心波长的移位值,反复计算挠度值,实现波长与挠度的对应关系。     

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。     

分体插接式光纤光栅应变片

光纤光栅应变片是一种新型的光纤光栅应力传感预制结构,它把布拉格光栅封装在光连接器内部以实现分体插接式结构,从而保证光纤光栅应变片在具有布拉格光栅体小质轻等优点的同时,还具有类似于光连接器的使用便利性,从而解决了光纤光栅传感器使用复杂,不宜用作二次变换元件的缺陷,扩大了光纤光栅传感器的使用范围.实验表明:光纤光栅应变片具有良好的线性输出和测量灵敏度,而且热输出小,是一种适合工程测试人员使用的通用型光纤光栅应力传感器.     

灵敏度系数可调布拉格光栅应变传感器的设计

针对裸光纤布拉格光栅应变监测量程或精度有限的问题,提出了一种灵敏度系数可调光纤布拉格光栅应变传感器的设计方法。理论和实验研究了该方法在增大光纤布拉格光栅应变监测量程或提高精度方面的性能,并以此研制了基片表面粘贴式和FRP封装式两种封装结构的灵敏度系数可调应变传感器。理论分析并实验标定了传感器的灵敏度系数。最后,对传感器理论和实验灵敏度系数误差进行了分析,指出了改进的方向。实验结果表明:两种封装结构的大量程传感器的量程分别增加了243%和126%,高精度传感器的精度提高至0.51με和0.52με。传感器标定实验表明,两种封装结构的传感器都有很好的线性度和重复性,相关系数达到0.999以上。     

柔性曲面变形检测的FBG方法

为实现太阳能帆板、飞机机翼等薄板类曲面的动态检测,构建了一种基于光纤光栅（FBG）的传感阵列系统。将FBG传感器分布式地封装在形状记忆合金（SMA）薄片上,并采用增加预应力方式,扩大FBG检测拉应力的检测范围;利用空分复用（SDM）和波分复用技术（WDM）将FBG阵列布置到曲面上,传感器分布根据曲面应力状况采用植入式分布,应变较大的地方布置稠密,反之稀疏;曲面发生变形时,解调仪器解调出波长变化;计算机对采集数据进行处理,重建曲面形状并实时显示,以实现曲面的动态检测和显示。实验结果表明,此传感阵列系统的波长变化与曲率具有较好的线性关系,传感器布置合理、测量精度高,利用FBG能够实现曲面变形检测。     

采用在线成型工艺的光纤光栅传感器

为了实现对光纤光栅的温度补偿功能,基于一种新型的热应力温度补偿机制,设计并制造出一种新型的、采用在线成型工艺的光纤光栅温度自补偿应变传感器,该传感器不仅具有温度补偿功能,而且可以实现应变增敏,解决了管式封装胶粘不牢、胶层老化的问题,以及温度补偿的传感器不能测量应变的问题。实验结果表明,在-20℃~40℃的温度变化范围内,传感器实现了良好的温度补偿和应变增敏效果;其中在实验温度范围内,光栅传感器的波长基本保持不变;应变敏感性为1.69pm/,增至原来的1.4倍,与理论计算值吻合的很好。     

基于聚合物封装的光纤布拉格光栅压力传感器

设计并研究了一种光纤布拉格光栅压力传感器,FBG1与FBG2串联连接,其中FBG1直接封装于聚合物之中,而FBG2先粘贴于弹性基体上再封装于聚合物之中。推导了传感器的灵敏度和解耦算法,并且使用有限元法计算了本传感器压力灵敏度和温度灵敏度,最后对传感器进行了实验验证。实验结果表明FBG1和FBG2的压力灵敏度分别为197.4 pm/MPa和95.7 pm/MPa,温度灵敏度分别为47.2 pm/℃和36 pm/℃,具有良好的线性度,较小的回程误差,并且符合该传感器感知的压力和温度解耦条件。同时,随着聚合物小圆环直径增加,基体的应变量越来越大,并趋近于没有基体时聚合物的应变量。研究表明,较之传统的聚合物封装的光纤光栅压力传感器,本传感器的聚合物与套筒不易脱落,两者之间的非固结连接可以增加传感器灵敏度,并且本传感器具有温度补偿功能。     

应用CWDM实现FBG传感解调的研究

本文利用粗波分复用器（CWDM）的传输特性与波长的关系，提出了一种FBG传感解调方法并建立了实验系统。通过理论分析计算，得出系统的输入／输出之间的关系，并进行了实验验证。系统的波长解调范围为4nm左右，在没有进行光功率补偿的情况下，根据实验数据的分析计算，方差最差的情况下σmax=4pm。本系统在对分辨率要求不高的工程实际中的动态解调有着广泛的应用前景。     

基于Bragg光纤光栅的三维加速度传感器的研究

S.R.K.Morikawa等人提出了基于光纤光栅的测量空间三维加速度的方法[1],基于该系统的传感头,本文理论上分析了三维空间加速度测量的数学模型,推导了三维加速度在某一轴上的分量和质量块在该方向的位移之间的关系和质量块在该方向的位移与该方向上的两个光纤光栅中心波长变化的差值之间的关系.证明了传感头的横向效应和温度对测量的影响均很小,可以忽略.     

监测桩基冲刷状态的新型光纤Bragg光栅传感器

桥梁结构被破坏的重要原因之一就是水流对桩基的冲刷使桥墩附近的基础被逐渐冲蚀,桥墩通常对于水流起阻碍作用,进而导致在桥墩附近水流流速过快并产生漩涡,冲蚀桥墩附近基础,使桥梁处于不安全的状态。由于河流冲蚀对桥梁造成的破坏已经成为世界关注的焦点。目前的桩基冲刷监测方法如人工深度尺、声纳、雷达和时域反射计(TDR)等有离线、精度低、稳定性差、成本高和传感元件耐久性差等缺点,难于实时、准确监测桩基的冲刷状态。文中提出了一种通过监测桩基附近土压力大小进而分析桩基冲刷状态的新型冲刷传感器,敏感元件选取光纤光栅(FBG),光栅的封装采用经过结构优化设计的GFRP悬臂梁,在此基础上制作出适合实际工程应用的光纤光栅桩基冲刷监测传感器,同时通过大量的实验验证了这种传感器的传感性能,其空间分辨率达0.1 m.     

应用于特殊环境的光纤光栅温度压力传感器

针对现有高温高压油井下对温度和压力的实时长期监测要求,设计了温度补偿式光纤光栅温度压力双参量传感系统。根据传感器的使用环境,优选了恒弹性合金。采用优选后的恒弹性合金作为基底材料设计了圆筒与圆形膜片组合式传感器结构,圆形膜片是整体加工成型的。最后,对传感器进行相关实验测试。实验测试与误差分析结果显示,传感器实现了温度和压力的大量程测量,传感特性呈单值线性,温度补偿可一体化封装;温度线性检测区为0~350℃,温度灵敏度为0.020 1 nm/℃,温度测量静态误差为0.029%;压力线性检测区为0~60 MPa,压力灵敏度为0.013 6nm/MPa,压力测量静态误差为0.046%,这些指标能够满足实际工程的要求。