光纤Bragg光栅水听器特性及实验研究

论述了光纤Bragg光栅（FBG）水听器探头基元 （FBG）的传感特性,分析了FBG的耦合系数、反射率、反射带宽和栅长对光纤Bragg光栅水听器传感特性的影响.通过改进光纤Bragg光栅水听器探头封装结构,增加了其压力敏感系数.并将实验结果与标准水听器（压电型）比较,标定出光纤Bragg光栅水听器的声压灵敏度;对传感信号进行电路解调,得出了解调结果,结果显示与原始声波信号基本一致.试验表明,在1 kHz~25 kHz的声波检测范围,光纤Bragg光栅水听器响应平坦度好,信号输出稳定,证明文中采取的改进措施是有效的.     

一种平面型光纤光栅水听器探头技术的研究

阐述了一种平面薄板结构的平面型光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,缩写为FBG)水听器探头的工作原理,从理论和实验上分析研究了该探头的结构灵敏度、频率响应特性以及加速度响应特性。平面圆形薄板采用不锈钢,尺寸为:直径15 mm、厚度0．15 mm,探头为圆柱型,尺寸为:直径17 mm、长20 mm。对于该尺寸结构的FBG水听器,探头静态灵敏度可达23 fm/Pa,比裸光栅增敏7300倍;谐振频率为6．5 kHz,而且幅频特性在100 Hz～5．5 kHz频率范围内较为平坦;低频段加速度响应灵敏度为:58～75(fm·s~2/m),在1 m/s~2加速度作用下其输出等效(2．52～3．26 Pa)压力作用下的输出。该结构的探头也便于多路复用组成水听器阵列。该平面结构不仅可以组成光纤FBG水听器探头,同样可以组成光纤光栅激光水听器探头。对薄板的几何尺寸进行适当的调整,可实现不同量程、不同带宽的水声压力测量。     

带加速度补偿平面型光纤光栅水听器探头技术的研究

针对平面型光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,缩写为FBG)水听器探头加速度响应明显,影响它对正常声压进行探测的需求,提出了采用加速度补偿措施进行加速度去敏这一有效方法。从理论和实验上分析研究了带加速度补偿平面型光纤FBG水听器探头的结构灵敏度、灵敏度频率响应特性和加速度响应特性。结果表明:采用加速度补偿措施后,单位加速度(1m·s-2)响应输出的等效作用声压由2.52~3.26 Pa降为0.0758~0.217 Pa。同时,探头结构灵敏度由28 fm/Pa减小为20 fm/Pa,动态谐振频率由6.2 kHz增高为6.52 kHz。谐振频率的增加有助于提高水听器系统的动态响应特性,而结构灵敏度的降低,可以通过提高FBG动态波长解调仪的灵敏度来进行补偿。本来,光纤光栅或光纤光栅激光水听器系统可探测灵敏度主要由解调仪灵敏度决定,而不是由探头结构灵敏度决定。所以,该加速度补偿措施具有很大的实用性。      

新型光纤光栅水声传感器的研究

提出了一种新型的光纤布拉格光栅(FBG)水声传感探头结构以及光纤光栅传感信号的自解调方法。利用一对匹配光栅构成推挽结构,实现了传感-解调的合二为一,大大地减小了系统的复杂度;并通过筒状弹性体结构,解决了裸光纤光栅测量水声信号的灵敏度过小的问题,并具有温度补偿作用。仿真与初步实验结果表明,该水听器探头的测量动态范围超过100 dB,在100~200 dB re 1μPa的水声压范围内,测量灵敏度为0.36 nm/Mpa。     

对基于光纤光栅的两种水听器灵敏度的讨论

本文简单介绍了基于光纤光栅的光纤布喇格光栅(FBG)水听器以及分布反馈式(DFB)光纤激光水听器的基本工作原理与信号解调的基本方法。在此基础上提出了FBG水听器和DFB光纤激光水听器波长漂移率、压力灵敏度系数、相位灵敏度与相位灵敏度级以及电压灵敏度的定义以及物理涵义.并且对干涉型光纤水听器与DFB光纤激光水听器在相位灵敏度以及物理涵义上的区别进行了说明.     

结合波分复用和空分复用的光纤光栅串口总线式检测系统

结合波分复用和空分复用技术,可增加光纤Bragg光栅(FBG)传感波长的解调数目。开发了FBG传感器检测仪与计算机系统之间的光纤Bragg光栅传感检测系统。该系统通过串口总线分别与光开关和解调仪通信,实现了传感光谱的实时描绘和16通道的FBG传感中心波长的动态更新。测试结果表明,系统工作波长范围为1527~1566nm,中心波长分辨率为1pm,一次采集光栅波长信息时间为620ms。     

基于激光器激射特性的新型应变传感系统

报道了一种基于掺铒光纤激光器瞬态特性的新型应变传感系统.用光纤环反射镜和光纤Bragg光栅(FBG)构成Fabry-Perot线型腔.腔内插入一个长周期光纤光栅(LPG)，其透射谱的中心波长为1574.4nm.FBG的带宽为0.23nm，不受力时其反射波长为1557.98nm，位于LPG的透射谱左沿；当FBG受力时激射波长向长波方向移动，激光通过LPG时透射损耗增大，腔损耗的增加将使激光激射延迟时间增加.因此，应变的大小可以通过激光产生的延迟时间来测量.这种新型应变传感器的分辨率和灵敏度由抽运光脉冲的高、 关键词： 应变传感 光纤激光器 时域测量 光纤Bragg光栅     

结合FBG-FP的变压器局部放电光纤全方向传感研究

为实现变压器局部放电的灵敏检测,避免漏检局部放电信号,基于光纤布拉格光栅(FBG)与法布里珀罗腔(Fabry-Perot cavity)传感原理提出了一种结合FBG-FP的变压器油中局部放电光纤全方向传感方法。介绍了FBG与FP腔的局部放电传感原理,局部放电产生的超声波会引起FBG反射光谱与FP腔干涉光谱的偏移,通过光谱边缘解调法进行光强解调可实现局放信号的检测。研制了局部放电光纤全方向传感器,通过3D打印技术制作了尺寸为25 mm×25 mm×25mm的长方体探头,探头中空结构用于插入单模光纤形成FP腔,四个侧面用于形成膜片式FBG传感结构,可接收不同方向的超声信号。基于变压器油中局部放电的频谱特性与液相环境中膜片的振动模型设计了超声传感膜片,选用镀有高反介质膜的康宁玻璃作为FP腔传感膜片,膜片半径为1.7 mm,厚度为0.165 mm,理论谐振频率为82 kHz;选用单晶硅作为FBG传感膜片,膜片半径为2.5 mm,厚度为0.1 mm,理论谐振频率为25.6 kHz。搭建了光纤局部放电传感系统并进行了局部放电光纤全方向传感器性能测试。通过断铅实验测得变压器油中传感器FBG传感膜片实...     

一种基于BOTDA与FBG传感的共线温度测试技术

根据大型结构全尺度分布式高精度温度测量要求,组合应用布里渊时域分析(BOTDA)技术和光纤布拉格光栅(FBG)温度传感技术,设计了一种由BOTDA分析仪、FBG解调仪、共线传感探头和光开关组成的温度传感测试系统。实验测试证明,该系统具备大范围分布式温度测量与局部高精度温度测量功能,而且实现了BOTDA测温技术与FBG温度传感技术的有效互补,解决了测量范围和测量精度的矛盾问题,并且具有良好的温度重复性,达到了预期的设计要求。该共线测试技术方案在大规模结构温度监测中具有广阔的应用前景。     

高灵敏度双光纤布拉格光栅应变传感实验教学系统

设计了基于双光纤布拉格光栅(FBG)的高灵敏度应变光纤传感实验教学系统.两只具有不同反射中心波长(1 546.209 nm和1 541.713 nm)的FBG串联熔接后,分别黏贴于等强度悬臂梁的上表面与下表面.通过测量两只FBG的反射中心波长差值与等强度悬臂梁应变量的关系,实现对应变量的传感测量.仿真结果显示,双FBG应变传感的灵敏度为单FBG应变传感的2倍,且具有温度自补偿特性.实验结果验证了仿真分析的结论,测得双FBG应变传感的灵敏度为2.10 pm/με,且传感测量准确性不受环境温度变化影响.     

基于密集波分复用技术的Bragg光栅水听器

论述了用Bragg光栅制作水听器的原理和意义,利用光纤通信的密集波分技术,实现声压信号动态解调.采用压力增敏材料对Bragg光栅封装来增加其响应灵敏度,为避免温度变化引起光栅交叉敏感,在室温23±1℃条件下进行试验,给出实验结果.实验表明:基元水听器的频率响应平坦度好,信号输出稳定.同时采用密集波分技术动态解调声信号方案是可行的.     

Development of an optical fiber hydrophone with fiber Bragg grating

A new type of optical fiber hydrophone is constructed with a fiber Bragg grating (FBG) based on the intensity modulation of laser light in an FBG under the influence of sound pressure. The FBG hydrophone shows linearity, with dynamic range about 70 dB. It can measure amplitude and phase of an acoustic field in real time, and operates in a wide range of acoustic frequency, at least from 1 kHz to 3 MHz. No signal distortion is observed in the detected signal. Because of the simplicity in its operating principle and geometry, an FBG hydrophone is expected to be an acoustic sensor of high practicality compared to a conventional optical fiber hydrophone.     

Research of the planar optical fiber Bragg grating hydrophone probe

This paper presents the planar Fiber Bragg Grating （FBG） hydrophone probe sensing principle, and theoretically and experimentally researches the probe structure sensitivity, the receiving sensitivity frequency response characteristic and the acceleration response property. Planar sheet is made of stainless steel, its thickness is 0.15 mm, its diameter is 15mm, and the length of hollow circular shell is 20 mm. For this size of the structure, the probe structure sensitivity is up to 23 fm/Pa, which is about 7300 times of the value of the bare fiber. The resonance frequency is 6.5 kHz, and the amplitude-frequency curve of the receiving sensitivity response is relatively flat within the frequency range of 100 Hz to 5.5 kHz. The output yielded by one unit acceleration （1m/s2） is equivalent to （2.52 to 3.26 Pa） acoustic pressure acting output. This probe structure is easy to form FBG hydrophone array by multiplexing technique. The research shows that this planar structure not only can form FBG hydrophone probe, but also can constitute optical FBG laser hydrophone probe. The structure can realize different bandwidth, different range acoustic pressure measurement by adjusting the geometrical size of the sheet.     

Study of the planar optical fiber Bragg grating hydrophone probe with acceleration compensation

Since the probe acceleration response of a planar optical FBG hydrophone is very obvious and has an adverse influence on normal underwater acoustic pressure detection,an acceleration desensitization method employing an acceleration compensation measure is presented here.Results indicate that by utilizing this method,the equivalent pressure output applied by one unit of acceleration(1m·s^-2) is reduced from a range of 2.52-3.26 Pa to 0.0758-0.217 Pa, while the structural sensitivity decreases from 28 fm/Pa to 20 fm/Pa,however,the resonance frequency increases slightly from 6.2 kHz to 6.5 kHz.The increased resonance frequency helps to improve the dynamic frequency characteristics,and while the structural sensitivity is reduced, it can be compensated for by improving the optical FBG dynamic wavelength interrogation sensitivity.The system sensitivity of the optical FBG hydrophone is mainly determined by its wavelength interrogation sensitivity and not the probe structure sensitivity.Therefore,the acceleration compensation method would have broad practical applications.     

Fiber Bragg grating hydrophone with high sensitivity

A fiber Bragg grating （FBG） hydrophone with high sensitivity was demonstrated. This hydrophone used a rubber diaphragm and a copper hard core as the sensing element. To compensate the hydrostatic pressure, a capillary tube was fixed at the end of the hydrophone. Theoretical analysis of the acoustic pressure sensitivity was given in this letter. Experiments were carried out to test the frequency response of the hydrophone. The result shows that when the Young＇s modulus of the diaphragm is higher, a flatter frequency response will be obtained.     

干涉型光纤水听器相位载波调制-解调中信号混叠产生的机理及解决方案

信号混叠是制约基于相位载波调制-解调的光纤水听器系统走向应用的一个关键问题。对信号混叠产生的机理进行了详细的理论分析和仿真,结果表明,提高光源调制频率和降低探头灵敏度都无法有效解决光纤水听器实际应用中遇到的高频干扰引起的混叠问题。基于声学滤波器原理,提出了一种新颖的声低通滤波解决方案。设计并加工制作了一种简单的声低通滤波光纤水听器,在驻波罐中对其声压灵敏度频响进行了测量。实验结果表明,该光纤水听器在测量频带上具有较好的声低通滤波特性,低频声压灵敏度约为-140 dB(0 dB=1 rad/μPa),高频衰减大于20 dB,对高频干扰有较强的抑制能力。该方案十分简单经济,能从根本上有效地解决相位载波调制-解调中的信号混叠问题。     

含侧腔的机械抗混叠声低通滤波光纤水听器

报道了一种含侧腔的机械抗混叠声低通滤波光纤水听器.基于电-声类比理论建立了该光纤水听器的低频集中参量模型,画出了声学等效电路图,利用电路分析方法给出了声压传递函数表达式,并对其声学特性进行了理论分析.研究表明,该光纤水听器具有三个共振频率,由于侧腔的引入使得传递函数出现了一个零点,从而加快了第二个共振频率之后的衰减速度,可以获得更好的高频整体衰减特性.在充水驻波罐中对自行设计并制作的含侧腔的声低通滤波光纤水听器进行了测试.在50—7000 Hz频段上,该光纤水听器的声压灵敏度频响曲线与理论结果具有大致相同的变化形式,低频响应非常符合,声压灵敏度约为-140 dB（0 dB=1 rad/μPa）,受低频模型精度的限制,高频响应差异较大.这为解决光纤水听器的高频混叠问题提供了一条简单可行的技术途径. 关键词： 光纤传感器 光纤水听器 声压灵敏度 低通滤波器