光纤光栅传感器的波长检测系统及其理论分析

理论分析并实验研究了基于光纤光栅滤波调谐技术的光纤光栅传感系统。分析了由于光源光强度波动及光纤扰动而引起的波长测量误差，并给出了减小测量误差的方法。该系统采用应变仪作为读出设备，使测量结果的线性拟合度达0．9995，测量光纤光栅布拉格波长移动的最小分辨率为1．3pm。     

一种提高线阵CCD微型光谱仪波长分辨率的新算法

采用一种新的波长算法,通过获取光谱峰的位置信息,对相邻像元间的波长进行细分,将线阵CCD微型光谱仪波长的测量分辨率提高到了1pm。实验测量结果表明:测量光纤布喇格光栅(FBG)的波长稳定性优于1pm;测量光纤外腔式Fabry-Perot干涉仪(EFPI)的波长稳定性为5pm;计算速度比采用插值算法更快,有效地提高了波长测量的分辨率和采样频率,可以实现光纤传感信号的高速高精度解调。     

利用调谐滤波技术的光纤光栅复用传感器

采用光纤光栅悬臂梁线性调谐技术 ,提出了利用调谐滤波技术对光纤光栅复用传感信号进行检测的方案 ,在分析其基本工作原理的基础上 ,实验研究了其波分复用传感特性 ,传感测量的结果与光谱分析仪直接测量的结果基本一致。传感器的波长分辨率主要取决于系统的最小可探测光功率 ,由于采用了高灵敏度的光电测量系统 ,传感测量的波长分辨率可达 0 .0 0 5nm ,应变分辨率可达 5.7× 10 - 6 。     

基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统的研究

研究制作了基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统, 以多光纤光栅作为波长参考基准、采用可调谐光纤法布里-珀罗(F-P)滤波器作为波长扫描器件。系统中采用三次多项式拟合的方法对滤波器锯齿波的扫描电压与透射波长关系曲线进行非线性拟合, 解决可调谐光纤F-P滤波器的电压—波长非线性关系对系统测量带来的较大误差问题, 实现波长的高精度解调。采用五光纤光栅做波长参考, 单根光纤光栅传感器的解调实验结果表明：待测光纤光栅布拉格波长短期测量分辨率为3.5 pm, 长期测量稳定性为7 pm。采用该系统对光纤非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)应变传感器的测试结果表明, 测量应变灵敏度为2.41 nm/με, 并且应变和波长之间存在良好的线性关系, 线性相关度达到0.99991。     

基于可调谐半导体激光器的高分辨率多路复用光纤光栅波长解调系统

构建了一套高分辨率的可复用光纤光栅波长解调系统.采用波长调谐范围为1 546nm至1 558nm的紧凑型可调谐半导体激光器作为光源,来提高系统的紧凑性、波长分辨率以及响应速度,加入标准气室作为波长基准以提高系统的长期稳定性.使用多个电极电流共同调谐的办法,实现了在12nm范围内半导体激光器波长分辨率高达1pm的准连续波长扫描.利用重心算法提高光纤光栅中心波长的解调精确度和稳定性,并对解调过程进行模拟.解调系统的波长分辨率优于1pm,精确度接近2pm.整个光纤布拉格光栅温度传感系统在1 550nm附近实现了0.1℃的温度分辨率.     

一种基于DSP的FBG传感器解调系统及算法

波长解调技术是光纤传感器的关键技术。介绍了一种利用可调谐光纤F-P滤波器来扫描光纤布拉格光栅(FBG)传感器,应用DSP作信号处理的解调系统,提出了一种快速稳定且具有高分辨率的解调算法。波长测量分辨率可达2pm,测量范围50nm。用DSP芯片控制光学系统扫描,数据采集及运算,并进一步提高了系统的解调速度。     

基于扫描激光器的边孔光纤光栅温度压力传感系统

研究了一种基于波长扫描激光器的光纤温度压力测量系统.光纤传感头为边孔光纤光栅,利用其特有的双折射特性产生双反射峰,以实现对温度和压力的同时测量.系统采用嵌入式开发技术,将激光波长扫描、光谱数据采集和以牛顿最小二乘法为核心的光栅解调算法高度整合于一体,极大降低了光纤传感系统的体积与成本.实验结果表明,在温度10~50℃、压力0~1.2 MPa时,双反射峰对应温度与压力的变化均呈现良好的线性响应特性;系统的波长解调准确度可达1pm,温度及压力的分辨率分别达到0.1℃和0.1 MPa.该系统可为温度、压力的参量测量提供低成本、小型化、性能可靠的解决方案.     

阵列波导光栅解调的准分布式光纤光栅传感器

从理论上和实验上研究了一种操作简单、响应速度快,价格低廉和高分辨率的基于阵列波导光栅(AWG)的准分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感器.该传感系统采用了阵列波导光栅双通道强度解调技术对光纤光栅的布拉格波长和温度进行精确的解调.实验结果表明,该系统对宽带宽光纤光栅的布拉格波长和温度解调均具有高线性度,考虑系统稳定性及光纤布拉格光栅之间的串扰影响,波长测量精度仍可达2 pm,温度测量精度优于0.2℃.     

高灵敏度光纤光栅传感特性测试仪研制

本文报道了一种新颖的光纤光栅传感测试仪,仪器的波长变化分辨率可达0.002nm,应变分辨率达1.7με.本仪器可以用于光纤布喇格光栅传感实用化测量,也可以作为光纤光栅传感技术教学的实验设备.     

基于阵列波导光栅的边缘滤波温度解调系统

为克服传统阵列波导光栅解调系统体积大、价格昂贵等问题,提出了以窄带光源为输入光源,采用边缘滤波和阵列波导光栅相结合的解调方案,实现对增敏封装后的光纤光栅温度传感器进行温度解调实验。以窄带光源作为输入,通过边缘滤波的方法使得温度传感器反射谱的中心波长偏移程度与解调光路输出光强的变化相对应,利用阵列波导光栅的波分复用实现多传感器同时测量,实现了多传感器多通道的分布式测量,实验结果表明:解调系统的波长解调范围为1 545.30 nm～1 560.50 nm,对35 ℃～42 ℃的温度范围进行检测,波长解调精度为±5.34 pm,温度测量误差可达±0.1 ℃。     

基于可调谐滤波器的带中心波长自动跟踪光纤光栅动态波长解调技术的研究

研究了基于可调谐滤波器(TOF)的带中心波长自动跟踪光纤光栅动态波长解调技术。实验表明,解调仪特别适合在传感FBG(fiber Bragg grating)存在大幅度静态波长变化时对微幅度动态波长变化进行检测,动态波长检测分辨率为0.007pm/Hz。上电时,TOF对中心波长为1292.50~1308.50nm范围内的光纤光栅具有自动跟踪的能力,克服了TOF不稳定对系统的影响。     

A Distributed Fibre Bragg Grating Sensor Interrogator Employing a Reformative Arrayed Waveguide Grating

We present an interrogating technique employing a reformative arrayed waveguide grating without output waveguides in combination with a linear charge coupled device. A simple and effective data processing method called area equalized point is used to improve the system resolution. The simulation results show that the wavelength shift of a fibre Bragg grating with temperature can be precisely measured by this interrogation technique. The temperature accuracy and wavelength resolution of the sensor system are smaller than 0.08℃ and 0.8pm, respectively. If the FBG 3dB-bandwidth is 0.2nm with the wavelength spacing between two adjacent FBGs of 1.4 nm, the temperature and wavelength errors caused by crosstalk are respectively 0.01℃ and 0. 1 pm.     

分布式反馈激光器动态扫描光纤布拉格光栅波长解调系统

通过对该系统采集到的法布里-珀罗(F-P)标准具透射谱和光纤布拉格光栅(FBG)传感器反射谱进行寻峰算法以及拟合算法的研究,采用C语言编程和LabVIEW编程相结合的方式,实现了FBG波长信号的解调。其中,由于系统采集到的F-P透射谱和FBG反射谱线时域信号数据都由离散点构成,且在3dB带宽内均符合高斯曲线分布,采用高斯拟合对采集到的信号数据进行寻峰处理,提高系统精度;又由于分布式反馈(DFB)激光器的波长扫描存在着一定的非线性,采用二项式拟合对DFB激光器的波长扫描曲线进行拟合,以降低其非线性导致的误差。另外,设置一路标准FBG传感通道用于波长校准。实验研究表明该系统稳定性良好,波长测量范围为1 550.012~1 554.812nm,分辨力为1pm,精度为±10pm,验证了该系统可用于FBG波长信号检测的可行性。     

宽光谱高分辨率二维光谱信号探测系统设计

针对宽光谱范围高分辨率的中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路对二维光谱的探测需求,分析了探测器与光路系统的匹配关系,提出了面阵光谱探测系统的设计方法,设计了具有高灵敏度、低噪声等特点的二维光谱探测系统。该系统包括主控单元、探测器驱动单元、信号处理单元、数据存储单元以及数据传输单元等主要模块。以滨松S10141型CCD为核心设计的探测系统灵敏度高、动态范围大、信噪比高。结合中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路进行光谱探测实验,结果表明,该探测系统能在200～600 nm宽光谱范围内获得高分辨率二维光谱图像,在Hg灯253.652 nm处单色像斑覆盖5个像素,分辨率达到6.3 pm。     

基于扫描光纤激光器的光纤传感解调仪研究

介绍了一种基于扫描光纤激光器的光纤传感解调系统.采用氰化氢（HCN）气体吸收池作为波长参考基准,采用三次多项式拟合的方法来确定光纤F- P可调谐滤波器的波长与驱动电压的对应关系,可调谐滤波器扫描过程中对扫描电压、多路光谱信号进行同步采样,实时标定.实验结果表明,该解调系统在1 510 nm到1 590 nm波长范围内对FBG反射峰值波长的分辨率为1.4 pm,长期波长重复性达到3.2 pm.利用该系统实现了对FBG反射峰值波长和光纤EFPI传感器腔长的高准确度解调.     

Low-cost wavelength measurement based on a macrobending single-mode fiber

A low-cost all-fiber wavelength measurement technique is proposed and demonstrated. A macrobending standard single-mode fiber is developed as an edge filter with an optimal design and simple surface processing. A ratiometric wavelength measurement system employing the developed macrobending fiber filter demonstrates a resolution of approximately 10 pm in a wavelength range from 1,500 to 1,560 nm with ease of assembly and calibration.     

基于光子集成芯片的可穿戴光纤光栅解调研究

为了实现光纤光栅传感器在可穿戴系统中的应用,提出了一种基于硅基光子集成芯片的可穿戴光纤光栅传感解调系统。基于比利时iSiPP50G工艺的光子集成芯片由4×1长波长VCSEL阵列、1×8阵列波导光栅、2×2 MMI耦合器、4×1光纤光栅耦合器阵列、Ge-on-Si波导光电探测器、直波导和弯曲波导等组成。在完成对VCSEL光源金线键合和光子集成芯片光纤耦合封装的基础上,设计了手环式解调电路,对人体温度和心音信号进行了实时测量。实验结果表明:解调系统的动态波长检测范围为1 540 nm～1 560 nm,波长分辨率为0.08 pm,解调精度为5 pm,温度监测范围为35℃～42℃,误差为±0.1℃;可检测50 Hz～100 Hz频率范围内的心音信号,可识别出第一心音和第二心音,并计算出心动周期、心率、第一心音时限、第二心音时限和心力等特征参数。     

基于偏振干涉的光纤光栅传感解调方法

提出了一种新型的应用于光纤布拉格光栅传感器的波长移动探测方案.研究基于保偏光纤的光纤环镜结构并建立理论模型,分析其输入光波长和输出光功率分配特性并进行数值仿真和实验验证.结果证明该装置结构简单、稳定性好、检测精度高且可通过调整光纤环镜参数调节测量范围和精度.在大于１ nm解调范围内,波长平均解调精度小于1 pm. 关键词： 传感解调 偏振干涉 光纤环镜     

可调谐法布里-珀罗滤波器的高精度大范围实时定标

将乙炔(C2H2)气体的吸收光谱作为标准波长参考,对可调谐光纤法布里-珀罗滤波器进行波长实时定标,使解调系统的测量精度提高到1 pm.根据可调谐光纤法布里-珀罗滤波器谐振波长的周期性,提出了大波长范围的波长定标方法,从而可以在1525～1615 nm的范围内对可调谐光纤法布里-珀罗进行精确定标,实现了高精度大波长范围的信号探测.相比于传统的以光纤光栅作为波长参考的定标方法,该方法的测量精度、测量范围、系统运行可靠性都大为改善.