基于微分进化算法的双波长光纤F-P传感系统结构优化

针对光纤法布里-珀罗(F-P)传感器在实际应用中易偏离工作点,造成输出信号衰减,信噪比降低问题,提出了双波长稳定技术,建立了双波长稳定系统的数学优化模型.采用全局搜索能力强,收敛速度快,鲁棒性好,能有效解决复杂优化问题的微分进化算法(DE)进行了全局结构优化.结果表明,DE算法能在较短的运行时间内得到全局最优解,误差＜10-3,优化目标下降了89.46%,且运行时间有所减少;证明该算法正确可行,高效可靠,为光纤F-P传感器的结构优化设计提供了实验基础.     

端面腐蚀的双法布里-珀罗光纤温度传感器

针对环境测温,特别是在复杂环境中温度传感器的小体积、低成本、抗干扰以及高灵敏度的要求,提出了基于端面腐蚀的双法布里-珀罗光纤温度传感探头。以长为2cm的光子晶体光纤作为第一个F-P腔体,在它的一个端面熔接普通单模光纤,熔接面形成第一个反射镜面;然后,在它另一个端面熔接多模光纤,熔接面形成第二个反射镜面;最后,以多模光纤作为第二个F-P腔体,并用氢氟酸将其刻蚀成探针结构,同时在腔体末端形成了第三个反射镜面。以此复合结构作为传感探头,结合多光束干涉的传感原理,构造了双F-P结构的波长调制型传感器,并搭建了温度传感测试系统。测试结果表明:在28～81℃内,随着温度增加,该传感器的反射光谱波长逐渐红移,温度与波长偏移量的线性相关系数高达0.998 37;该传感器传感性能良好,灵敏度达64.6pm/℃。该传感器在复杂环境中对小范围温度测量具有潜在的应用价值。     

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.     

双Fabry-Perot干涉腔型光纤声发射传感器

设计了一种新型的双Fabry-Perot腔光纤传感器用于材料损伤引起的声发射信号检测。基于低细度Fabry-Perot腔多光束干涉原理,建立了光纤Fabry-Perot传感器检测声发射信号的数学模型。分析双Fabry-Perot腔正交点稳定工作机制,设计并制作了具有双Fabry-Perot腔结构的光纤声发射传感器来保持传感器正交点的稳定性。通过模拟AE信号检测与热应力干扰实验对设计的传感器进行了实验验证。实验一通过冲击振动与折断铅笔芯产生两类模拟声发射信号,使用商用的压电传感器和光纤传感器进行对比实验,结果表明光纤传感器能够成功检测到两类模拟声发射信号,灵敏度为12.9nm,带宽达到30kHz。实验二对传感器进行工作点稳定测试,结果表明双F-P腔的控制机制能够保证传感器工作在正交点,解决了传感器输出信号衰减的问题。     

飞秒刻写光纤F P腔级联FBG传感特性研究

提出了一种飞秒刻写光纤法布里-珀罗(F-P)腔级联切趾布拉格光纤光栅(FBG)的微结构传感器并研究了该传感器的温度与应变传感特性。该微结构传感器光谱稳定性良好,监测时长2 h内FBG波长最大漂移量为0.009 nm,功率最大漂移量为0.015 d B,F-P腔波长最大漂移量为0.018 nm,功率最大漂移量为0.072 d B。当应变由0με增至450με再减回0με时,该微传感器FBG特征峰先右移再左移,波长变化0.530 4 nm,应变灵敏度约1.17 pm/με,线性度高于0.99;光纤F-P腔特征谷波长变化0.491 1 nm,应变灵敏度约1.10 pm/με,线性度高于0.90。当温度由50℃升至200℃再降回50℃时,FBG特征峰先右移再左移,波长变化约1.418 nm,应变灵敏度约10.09 pm/℃,线性度高于0.95;光纤F-P腔特征谷波长变化约1.578 nm,应变灵敏度约10.53 pm/℃,线性度高于0.98。所提出的微结构传感器是解决单根光纤双参数测量的有效手段,同时对复杂环境下的多参数耦合测量与解耦也具有重要的参考价值。     

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F-P干涉传感器进行精密表面粗糙度测量原理探讨

本文在双F-P腔光纤干涉仪测距原理和光纤探针粗糙度测量方法的基础上,提出了光纤F-P干涉传感器的高精度表面粗糙度测量原理.着重探讨了其测试方法.     

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。     

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.     

毛细石英管构成的高灵敏度位移传感器

设计了一款基于光纤F-P干涉仪型的位移传感器。首先,将单模光纤和毛细石英管熔接在一起,用飞秒激光微加工技术把毛细石英管切成长度为100μm,端面为光滑平面;然后,把该结构固定在精密位移平台上,在毛细石英管末端面位置处垂直放置一面全反镜,构成一个复合的F-P干涉仪。在实验时,通过调节精密位移平台上的千分尺改变毛细石英管与平面镜镜面的距离,从而改变F-P干涉仪的腔长。实验发现传感器反射谱谐振峰的中心波长随位移变化发生线性漂移,通过考察中心波长漂移量实现位移量的精确测量。实验获得传感器的最大位移灵敏度为254 pm/μm,测量的最大位移量为90μm。设计的光纤位移传感器结构简单、易于制作、灵敏度高,在航空航天、海底探测、工业精密加工等精度要求高的微位移测量场合具有一定的应用前景。     

环形腔全光纤F-P干涉仪的声发射检测实验研究

提出了一种新型结构的用于声发射检测的全光纤F-P干涉仪。选用2×2光纤耦合器,将耦合器的一个入射端与一个出射端焊接相连,以耦合器代替传统的反射腔面,构成光纤环形传输腔,腔体贴附或埋入待测固体中检测声发射信号。通过理论推导和计算机仿真,确定了此结构光纤传感器的检测特性。实验以大理石板作为待测介质,对利用信号发生器驱动PZT（压电陶瓷）作为已知超声源在大理石板中产生的连续型声发射信号,及冲击波作用下大理石板中产生的突发型声发射信号进行了检测,并利用Fourier变换,得到了声发射信号的特征频率。实验结果表明,此种结构传感器能够检测材料结构中促使光纤轴向伸缩长度的量级为10-8m的声发射信号并识别其特征频率,该结构光纤传感器无需光程的匹配,适用于大尺度构件的监测,为材料结构健康检测与监控提供了一种新的方法。     

条纹计数法干涉型光纤液位传感器的电路法判向及其温度补偿

提出利用RC移相电路获得相位差为90°的输出信号,以取代相位差为90°的双光路,对干涉条纹计数时做正确判向,可以简化条纹计数法光纤Fabry-Perot腔干涉型液位传感器的结构,使之更实用和集成化。分析了F-P腔长与温度变化的关系,说明选择合适的腔体材料以及波纹管的热膨胀系数和初始长度,可在温度变化时保持腔长的较小变化。提出在传感器上安置温度传感器,预先测出F-P腔长与温度变化的关系,然后利用软件法对传感器输出进行温度补偿。实验表明:该软件补偿法能够较好的补偿温度变化对液位测量时造成的影响。     

光纤磁流体电磁场传感新方法研究

摘要：以磁流体纳米功能材料为腔内介质,提出一种新型的光纤F-P电磁场传感器,并给出了基于光纤光栅波长扫描的信号解调方法。对磁流体的可控折射率特性及其对电磁场测量原理进行了充分的分析,介绍了传感器系统的结构和原理。对所提出的方法以及影响测量结果的因素进行了初步的实验,结果表明,测量特性具有较好的线性度,且得出温度和磁流体薄膜厚度都会对测量结果有影响的结论。     

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。     

用于光纤传感的非对称法布里-珀罗腔

设计了一种用于光纤传感的新型非对称法布里—珀罗(F-P)干涉腔。干涉腔由固定在石英毛细管的两根镀膜光纤构成,该干涉腔改善了普通F-P腔的反射响应特性,有助于提高传感器的灵敏度和测量范围。基于薄膜干涉理论对该干涉腔的反射率响应关系的计算与分析,得出该非对称F-P腔的结构参数。设计结果表明,这种新型干涉腔具有线性度好、灵敏度高和线性范围宽的优点。     

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。     

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。     

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.