基于双LPFG及嵌入式技术的双边缘滤波解调系统

设计并实现了一种基于双LPFG(长周期光纤光栅)及嵌入式技术的双边缘滤波光纤光栅传感解调系统.以双长周期光纤光栅作为线性滤波装置,利用反射FBG信号通过不同光谱特性的滤波器时输出不同光强的比值的对数算法对波长进行测算;系统采用C8051系列单片机作为处理核心,并逐一介绍了线性双边缘滤波原理、三MCU硬件设计架构、面向对象程序设计思想的软件设计架构和系统时序设计.试验表明系统能够实现稳定的FBG传感信号解调,解调系统所得线性拟合计算值与光谱仪所测波长值的均方差为10 pm,动态范围达4 nm,表明系统线性度好,精度较高,对于工程现场的波长校准与调试方面的应用具有很大意义.     

光纤光栅传感系统数据采集与处理技术

在光纤光栅传感系统中,运用多通道智能光纤光栅解调器采集传感信号,并采用TCP/IP协议采集光纤光栅解调器各通道的光谱数据,经过峰值检测和温度补偿后,根据传感器的标定数据换算出对应各监测点的物理量,较好地实现了光纤光栅传感系统的数据采集与处理.并在光纤光栅反射波形的峰值检测技术中引进了指数平移钝化算法替代计算复杂度较高的高斯拟合算法,能有效地减少各种干扰因素引起的峰值波长抖动.     

啁啾效应对Bragg波长匹配解调精度的影响与消除

介绍了光纤光栅Bragg波长的匹配解调原理,分析了传感光纤光栅和匹配光纤光栅的反射谱相关函数, 说明相关函数与光电探测器输出信号具有线性关系。指出基于最大相关原理(光电探测器输出信号极值判断法)的匹配解调只适用于两个光纤光栅具有相同的反射谱型。采用光电探测器输出信号峰值判读时,传感光纤光栅的啁啾效应会引起Bragg波长的解调误差。理论分析和实验研究表明,对光 电探测器输出信号进行去卷积运算处理可以消除传感光纤光栅啁啾效应对Bragg波长解调精度的影响。     

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。     

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.     

基于改性型UDP和CIGI的光纤 光栅高速解调技术研究

为了实现光纤光栅传感的实时监测以及高速数据采集和准确分析,提出了一种基于改进型UDP和数据封装协议CIGI的光纤光栅解调系统方案。该系统网络传输层采用改进型UDP协议,通过单次传输N个数据包的改进型ACK应答机制,利用16位AD对256像素线阵光电阵列扫描的FBG反射谱光强数据进行采集,根据CIGI通用图像接口数据封装协议对光谱数据进行打包,通过千兆以太网接口实现解调仪与上位机的原始帧数据的通信,提高了传感数据的传输速率和可靠性。在LabVIEW环境中设计的交互界面上实现FBG反射谱的监控和传感数据的解调结果显示。通过准分布式多点FBG传感的实验数据采集测试及网络通信抓包数据结果表明,该传感监测系统能够有效利用以太网通信实现FBG光谱信息的实时传输,采样率可达到16 kHz,能够满足光纤光栅传感实时数据的高速采集和处理要求。     

软体气动驱动器弯曲变形光纤传感与形状重构

为解决软体气动驱动器弯曲变形的柔性传感测量问题,提出将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层进行曲率测量与形状重构的方法。建立了软体机构变形光纤传感重构算法模型,理论分析了光纤光栅光谱变化与应变限制层弯曲曲率的关系。搭建了基于光纤光栅特性的软体传感、解调及曲率标定装置,实验分析了不同曲率下光纤光栅反射光谱的特征,得出光纤光栅中心波长漂移量与弯曲变形曲率的关系,计算得出软体气动驱动器在不同弯曲状态下的曲率值,重构出软体气动驱动器的变形形状,验证了形状重构结果的正确性。实验结果表明:将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层,利用光纤光栅反射光谱变化可实现软体驱动器的曲率测量与形状传感,3种弯曲状态下光纤光栅传感测量值与软体驱动器曲率标定值之间的最大误差为2.1%。该光纤传感方法在软体气动驱动器柔性传感与闭环控制方面具有广阔的应用前景。     

基于FBG光纤光栅薄膜温度传感器的研究

基于FBG光纤光栅的温度传感原理，采用薄膜的多层膜系分析方法建立了FBG光纤光栅薄膜传感器的理论模型，并利用光学薄膜中心波长随温度呈线性变化制成温度传感装置。计算表明，当薄膜与基片的热膨胀系数相同时，薄膜的温度传感系数与FBG的相当。实际测得所用膜系的温度传感系数为0．017nm／℃．     

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LabVIEW的光纤光栅传感解调系统的研究

本设计基于LabVIEW可视化界面技术和光纤Bragg光栅波长解调的原理,对微型光谱解调分析模块的数据采集系统进行深入研究。并介绍在LabVIEW平台下进行串行通信采集FBG传感温度信号和数据处理的技术,形成基于LabVIEW友好界面、功能完备的光纤光栅解调系统,取得较好的试验效果。同时解决普通光谱解调设备成本高、体积庞大和只简单显示波长的难题。     

FBG旁瓣对复用解调的影响及旁瓣抑制方法

基于FBG应变传感器的解调原理,分析了光纤布拉格光栅串联复用时反射谱旁瓣对解调结果的影响,通过理论推导及模拟仿真,发现FBG传感器性能蜕化时存在反射谱的带宽变大、峰值降低以及旁瓣增大等现象,并且详细分析了反射谱旁瓣以及链路连接损耗对FBG复用解调结果产生的影响,针对这个问题,提出了利用浮动解调阈值以及抑制反射谱旁瓣的解决方法,最后,通过实验证实了相关理论的正确性与方法的可行性,极大地提高了应变测量结果的准确性。     

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。     

Research on the fiber Bragg grating sensor for the shock stress measurement

A fiber Bragg grating (FBG) sensor with an unbalanced Mach-Zehnder fiber interferometer for the shock stress measurement is proposed and demonstrated. An analysis relationship between the shock stress and the central reflection wavelength shift of the FBG is firstly derived. In this sensor, the optical path difference of the unbalanced Mach-Zehnder fiber interferometer is ~3.1 mm and the length of the FBG is 2 mm. An arctangent function reduction method, which can avoid sine function's insensitive zone where the shock stress measurement has a reduced accuracy, is presented. A shock stress measurement of water driven by one stage gun (up to 1.4 GPa), with good theoretical accuracy (~10%), is launched.     

Simultaneous measurement of temperature and strain by combining a fiber Bragg grating and the pigtail fiber covered with epoxy resin

A fiber sensor for simultaneous measurement of temperature and strain based on a fiber Bragg grating (FBG) with the pigtail fiber covered with epoxy resin is presented. The side mode suppression ratio of the FBG will vary with the temperature due to the Fresnel reflection from the interface between the pigtail fiber and the epoxy resin whose refractive index is sensitive to the temperature. The sensor is also capable of simultaneous measurement temperature and strain by combining the Bragg wavelength shift characteristics as the temperature and strain of the FBG.     

光谱吸收型光纤多气体传感系统

基于气体的近红外吸收机理，研究了一种可以检测多种气体的全光纤传感方法，采用光纤光栅波分复用技术．通过光纤光栅和压电陶瓷（PZT）对宽带光源LED进行波长调制，获得与相应气体吸收峰相对应的窄带反射出射光，检测二次谐波，实现对多种气体的较高灵敏度测量。利用二次谐波与光纤光栅透射光强的比值来消除光路干扰。建立了谐波检测的数学模型，进行了光纤C2H2和CO气体测量系统的实验研究。     

Simultaneous measurement of refractive index and temperature by integrating an external Fabry-Perot cavity with a fiber Bragg grating

A fiber sensor for simultaneous measurements of refractive index and temperature based on the integration of a fiber Bragg grating (FBG) with an external Fabry-Perot (F-P) cavity is presented. The fringe contrast of the interference spectrum generated by the F-P cavity is used to determine the external refractive index, while the wavelength shift of the FBG is used to measure temperature. The result showed that the refractive index and temperature sensitivity for the integrated sensor is 8.1 × 10(-6) and 0.01006 nm/°C, respectively.     

光纤光栅传感器阵列在撞击定位监测中的应用

本文提出基于半导体环形激光器的光纤传感阵列系统,用于在铝板上撞击定位监测。采用光纤法布里-珀罗(F-P)标准具对光纤布拉格光栅(FBG)传感器信号进行解调。施加在FBG传感器的应变被编码为FBG反射光的波长位移,然后由自由光谱范围为50 GHz的光纤F-P标准具转换为强度调制。通过波分复用技术,光纤F-P标准具可同时解调多个FBG信号,光纤传感阵列系统安装在厚度为1 mm的铝板上,50 g的小钢球在20 cm的高度自由下落撞击铝板产生声发射信号。利用时频小波分析,从测量的FBG传感器瞬态响应中获得的Lamb波的群速度频散曲线,并根据三角定位算法,确定撞击点的坐标。经过撞击试验,通过本系统和定位算法的平均定位精度误差在30.89 mm,达到了较好的精度。