非本征法布里-珀罗干涉型传感器非周期信号的相位解调方法

提出了一种恢复非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)传感器非周期动态信号的三波长正交相位补偿方法。利用三个干涉信号消除直流分量的影响,并通过相位补偿算法产生两个正交信号,用于解调出待测信号。在实验中对EFPI传感器加载一个非周期动态信号,使用三种不同的激光干涉测量技术对实验数据进行信号解调。结果表明,所提方法具有较高的解调精度,适用于高温环境下腔长变化的场合和非周期动态信号的测量。     

光纤应变、温度、振动同时测量新技术的研究

本文介绍了集成式Bragg光纤光栅(FBG)和非本征型Fabry-Perot干涉腔(EFPI)复合传感器的结构及应用该传感器同时测量静态应变、温度和振动的原理.利用FBG、EFPI和低相干性干涉信号解调方法实现了用一个传感器同时测量三个参量.实验结果表明温度精度达±1℃,应变精度为±20με,振幅分辨率达1nm,测量重复性好.     

光纤应变、温度、振动同时测量新技术的研究

本文介绍了集成式 Bragg光纤光栅 ( FBG)和非本征型 Fabry-Perot干涉腔 ( EFPI)复合传感器的结构及应用该传感器同时测量静态应变、温度和振动的原理 .利用 FBG、EFPI和低相干性干涉信号解调方法实现了用一个传感器同时测量三个参量 .实验结果表明温度精度达± 1℃ ,应变精度为± 2 0 με,振幅分辨率达 1 nm,测量重复性好     

法布里-珀罗干涉信号的小波变换相位补偿算法

为了高精度提取光纤法布里-珀罗干涉信号的腔长信息,结合小波变换的多尺度细分功能,通过小波脊线精确提取干涉光谱每点的相位信息,并采用谱峰信息进行相位补偿,提高腔长解调精度。仿真结果表明,该算法的解调误差理论上可达±0.060 nm。实验结果表明,该算法的腔长解调分辨率相较于最小二乘相位校正法提高了1倍,分辨率可达0.514 nm,加速度传感器实验解调的分辨率达到0.9 mg,在法布里-珀罗传感器动静态参数高精度测量中具有一定的应用前景。     

光纤法布里-珀罗腔传感器双波长解调法及波长优化设计

提出了光纤法布里珀罗(F-P)腔传感器的双通道双波长解调方法,并在此基础上建立了传感器的实验解调系统。理论分析与实验研究了双波长法解调光纤法布里珀罗腔传感器的基本原理,证明了双波长双通道解调法可以补偿传感器光网中和波长无关的变动引起的误差。根据已知的法布里珀罗腔传感器初始腔长和腔两端面反射率,从腔长变化的动态范围、线性、灵敏度等方面考虑,对工作波长以及线宽进行了优化设计。对双波长双通道解调系统进行了实验和数据分析,经最小二乘法拟合后的线性拟合度达到98.35%。实验结果表明:该方法可满足解调光纤法布里珀罗腔传感器在灵敏度、响应速度以及稳定度上的要求。     

基于F-P腔强度解调的微位移传感器

基于一次谐波腔长锁定技术,设计了一种基于法布里-珀罗(F-P)腔干涉的强度解调型微位移传感器。系统对F-P腔的初始腔长进行动态锁定,通过将F-P腔腔长的微小变化转化为强度信号,实现直接快速地对待测目标的微位移进行测量。详细地阐述了位移传感器的理论模型及一次谐波锁定F-P腔腔长的技术方案,实验中采用商用的高精度压电陶瓷平移台(PZT)模拟了实际物体的运动状态,实验结果表明,该系统对峰峰值在λ/4(λ为光波波长)以内、频率不高于400Hz的微位移有很好的测量结果,频率误差小于0.5Hz,测量精度小于1nm。     

光纤光栅法布里-珀罗传感器频分复用技术

理论分析了光纤光栅法布里-珀罗(F-P)传感器频分复用技术的原理,并给出了信号处理对腔长选取的要求。数值模拟结果表明,不同腔长的传感器具有不同的谐振条纹频率,为保证频域中的信号不发生重叠,要求不同光纤光栅法布里-珀罗传感器间的腔长之差必须大于光纤光栅的长度。进一步的实验及模拟分析结果发现,温度等待测量的变化仅仅使光纤光栅法布里-珀罗传感器的反射光谱整体平移,相应的频域信号只产生相移而形状不发生变化,因而不能采用普通光纤法布里-珀罗(FFP)传感器的腔长傅里叶变换解调法解调频分复用光纤光栅法布里-珀罗传感器的信号。根据这一特点,提出了利用自相关分析实现频分复用传感器系统信号解调的方案。     

光纤法布里-珀罗传感器幅值归一化-最小均方差联合解调算法

面向光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调,提出一种结合幅值归一化与最小均方差的联合解调算法.采用幅值归一化实现返回光谱信号与模拟光谱信号的等幅,提高解调精度.仿真结果表明,相较于传统最小方差法,该算法的解调精度显著提升.实验结果表明,采用该算法可实现优于0.72nm的高分辨率.     

端面薄膜法布里-珀罗腔光纤动态压力传感器仿真与实验研究

为实现冲击波动态信号的测量,研制了一种光纤端面镀金-派瑞林-金三层结构的薄膜式光纤法布里-珀罗压力传感器。对该传感器进行了理论分析与仿真,搭建了静态和动态压力测量系统,并对其进行测试与分析。结果表明：在0～60 MPa的静态压力测量范围内,传感器的波长灵敏度和腔长灵敏度分别为0.0809 nm/MPa和0.3200 nm/MPa,与仿真结果一致;在动态压力测量中,传感器成功捕捉到了压力峰值为7.41 MPa和上升时间为75 ns的冲击波信号。     

光子晶体光纤温度压力传感器

提出了一种在高温环境下同时测量温度和气压的光子晶体光纤温度压力传感器.在普通单模光纤和光子晶体光纤之间熔接一段空心光纤构成干涉结构.空心光纤段构成非本征法布里-珀罗干涉仪,利用光子晶体光纤的微孔与外界相通,通过气体折射率变化来测量环境中的气压变化;光子晶体光纤段构成本征法布里-珀罗干涉仪,利用热膨胀效应和热光效应来测量环境中的温度.传感器的解调通过自制的白光干涉解调仪实现,实验通过测量腔长得到被测环境的温度和气压.在不同温度和气压环境下,对腔长分别为306μm和1535μm的温度压力光纤传感器进行连续测量.实验结果表明,传感器能够在28~800℃的温度下和0~10 MPa的气压下稳定工作,测量范围内温度灵敏度可达17.4 nm/℃,压力灵敏度随温度增加而降低,在28℃时可达1460.5 nm/MPa.     

具有复合式法珀腔的光纤压力传感器的解调

对由三个反射面构成的复合式法珀腔的光纤法珀压力传感器进行了输出光谱理论分析,提取了含有传感器腔长信息的包络.提出了基于干涉级次拟合的解调算法,仿真分析了传感法珀腔腔长范围为160～215μm的光谱信号.结果显示,在不同信噪比下,基于干涉级次拟合的算法可获得较好的测量准确度,同一信噪比下,该准确度不依赖腔长变化,也不依赖光谱解调波长分辨率变化.实验结果表明,基于干涉级次拟合结果曲线残差的均方根差为0.012μm,验证了该算法的有效性.     

动态匹配光栅解调传感系统温度补偿研究

采用一对辅助匹配光纤光栅,结合基于MAX1968EUI芯片闭环自动控制,设计了一种半导体小型温度控制系统.通过控制传感光栅反射峰值变化,使匹配光栅温度变化与传感光栅周围环境温度变化相匹配,实现了动态匹配光栅解调方案的应变测量系统温度补偿,消除了光纤光栅传感器温度、应变交叉敏感效应对传感系统测量应变的影响.解调系统同时采用一支微测力传感器作为解调系统的输出,消除了传统动态匹配光栅解调系统中压电陶瓷磁滞效应对测量结果的影响.实验结果表明,温度变化对系统应变测量影响误差小于2％,传感系统的线性优于0.999 5.     

快速傅里叶变换与线性调频Z变换联合算法在光纤法布里-珀罗传感器解调中的应用

将快速傅里叶变换(FFT)与线性调频Z变换(CZT)联合变换的方法应用到法布里-珀罗(F-P)腔传感器的解调中,从理论上分析了该方法的解调原理及误差.模拟计算得出,该联合算法解调出的腔长的相对误差达到0.01%,腔长的最大绝对误差小于0.05 μm.在对测量范围为O～3 MPa的F-P腔微机电系统(MEMS)压力传感器进行的解调试验中,该算法可以辨别0.01 MPa的压力,腔长与压力数据的拟合度为0.99316,测量压力与实际压力的标准偏差小于0.005 MPa.实验结果表明,FFT与CZT联合解调的方法可以在较少计算量的基础上达到较高的精度,满足实际需求.     

具有复合式法珀腔的光纤压力传感器的解调

对由三个反射面构成的复合式法珀腔的光纤法珀压力传感器进行了输出光谱理论分析,提取了含有传感器腔长信息的包络.提出了基于干涉级次拟合的解调算法,仿真分析了传感法珀腔腔长范围为160~215 μm的光谱信号.结果显示,在不同信噪比下,基于干涉级次拟合的算法可获得较好的测量准确度,同一信噪比下,该准确度不依赖腔长变化,也不依赖光谱解调波长分辨率变化.实验结果表明,基于干涉级次拟合结果曲线残差的均方根差为0.012 μm,验证了该算法的有效性.     

基于虚拟仪器和可调谐激光技术的光纤光栅传感系统

提出了一种新颖的基于虚拟仪器(VI)和可调谐激光技术的光纤光栅(FBG)传感系统,利用可调谐激光对由光纤光栅组成的传感器阵列进行波长扫描,实现了多根光栅的复用准静态解调,并结合抖动技术和反馈环结构,使得探测信号在每一根传感光栅中心波长处过零,以提高系统在测定波长偏移时的分辨力。当反馈环工作在闭环状态下时,该系统还可对单根光栅实现动态跟踪锁定,实现单根光栅的动态解调。该传感系统的数据采集采用虚拟仪器技术,通过多通道同时输入输出实现了在线实时解调。实验采用了4根光栅组成传感阵列,获得了静态多根光栅小于1με和单根光栅动态频率10 Hz时3.3 n/εHz的解调分辨力,动态应变范围在850με。     

光纤法珀应变传感器串并联混合复用的离散腔长变换解调研究

光纤法珀传感器复用的输出信号复杂,解调相当困难.为实现其串并联混合结构复用,根据光纤法珀应变传感器的双光干涉原理,阐述了传感器串并联混合复用的输出信号特征,分析了信号中各项成分对离散腔长变换方法解调结果的影响,并进行了计算机仿真.最后搭建实验平台,进行了四个传感器串并联混合复用的实验研究,证明该方案可行,解调准确度1 μm.     

一种基于光纤光栅法布里-珀罗腔的低频振动传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的低频振动传感方案并进行了理论分析和实验研究。采用单频激光器作为光源,光纤光栅F-P腔通过两点涂胶方式粘接在等强度悬臂梁上,待测振动信号通过支架和悬臂梁将振动作用传至光纤光栅F-P腔,引起腔长周期性变化,从而改变光纤光栅F-P腔的反射光谱特性,通过解调输出光信号的振荡频率和峰值,即可实现对振动信号频率和幅值的测量。利用压电陶瓷模拟的低频振动信号进行了实验验证,测量结果与理论分析相吻合。该传感器测量灵敏度高,特别适用于微弱振动信号的测量。     

光纤微机电系统法布里-珀罗压力传感器的波分复用

提出了一种用阵列波导光栅复用光纤微机电系统法布里-珀罗压力传感器的方法,实现了法布里-珀罗压力传感器的准分布式测量。传感器基于法布里-珀罗腔干涉的原理,采用微机电系统技术加工制作,用双波长方法解调干涉信号,利用传感器对两个不同波长光的反射率的比值与压力的单值关系确定所施加压力的大小,用阵列波导光栅实现传感器复用。理论分析与实验验证了传感器解调和复用的基本原理。实验结果表明:在压力的线性测量范围(0~1.5 MPa)内,系统的灵敏度(相对反射率比值/压力)可达到0.02026 MPa-1,测量结果具有较好的线形性,相对反射率比值的标准偏差小于3×10-4。该系统可以补偿传感器光网中和波长无关的变动引起的误差,具有好的线性、灵敏度和精度,复用能力强且复用传感器间无串扰。     

光纤法布里-珀罗传感器的条纹计数法解调误差研究

为探究光纤法布里-珀罗传感器条纹计数法的解调准确度,对基于波峰波谷复合算法的条纹计数法的腔长解调误差及其影响因素进行了理论推导、仿真分析和实验验证.结果表明:光纤法布里-珀罗传感器干涉光谱的干涉级次及干涉级次差、波峰波谷的位置准确度是影响解调准确度的主要因素;干涉级次随腔长的变化导致腔长解调结果产生周期性跳动误差,跳动周期约为光源中心波长的1/4;周期性跳动误差的幅度受波峰波谷位置准确度的影响,波峰波谷位置准确度越低,周期性跳动误差幅度越大,腔长解调误差越大.     

一种非本征光纤法布里-珀罗传感器的信号解调算法

给出了一种基于均方误差估计的非本征光纤法布里-珀罗(EFPI)传感器的腔长解调算法。在参量估计方面, 均方误差将估计子的方差和偏差结合在一起, 具有更高的估计精度和准确度。如果给出某一个真值的一系列估计子, 则具有最小均方误差的估计子比其他估计子更为有效。在非本征光纤法-珀传感器的腔长解调方面, 则实际腔长对应于腔长均方误差估计取最小值时的腔长估计子。对一个非本征光纤法-珀压力传感器的测试结果表明, 腔长解调分辨率为0.18 nm, 对应的压力分辨率可达2.99 kPa。与传统的解调算法相比, 通过该算法可在较宽的动态范围内获得高的解调分辨率, 并实现绝对腔长的解调。