基于法布里-珀罗标准具和多光栅校准的光纤布喇格光栅波长解调系统

为了消除由法布里-珀罗标准具的干涉峰偏移引起的光纤布喇格光栅波长解调误差,采用多参考光栅进行法布里-珀罗标准具波长校准,搭建了相应的光纤布喇格光栅解调平台.将待解调光栅、法布里-珀罗标准具和多个参考光栅分别接入采样通道,用多个参考光栅对法布里-珀罗标准具进行波长校准,得到准确度较高的标准具干涉峰波长,再以此波长计算待测光栅波长,降低了校准误差.实验结果表明,利用该方法搭建的光纤布喇格光栅解调系统校准的重复性误差小于1.6pm,波长解调误差低于1.8pm.     

高速大容量光纤光栅解调仪的研究

采用半导体光放大器和可调谐法布里-珀罗滤波器,以环路结构组成高速扫描激光器,结合光耦合器、光环路器和光电二极管等,形成4通道大容量高速光纤光栅解调仪。系统采用2kHz的类三角波调制信号,驱动法布里-珀罗滤波器在50nm的光谱范围内进行快速扫描。通过引入光纤梳状滤波器和单峰滤波器组成的参考通路,消除法布里-珀罗滤波器的非线性效应和扫描波长漂移问题,使得解调仪具有很好的稳定性和线性度。高速光纤光栅解调仪的稳定性为2pm,分辨率为1pm,线性度为0.99957,测量精度为5pm,解调频率为2kHz。     

基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变解调方法

提出并实验验证了一种基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变传感器解调方法,该方法综合了光纤法布里-珀罗干涉技术和匹配光纤光栅滤波法的优点.通过半导体制冷片和压电陶瓷组成的闭环负反馈控制系统,精确调节匹配光栅法布里-珀罗干涉仪的温度和应变,有效解决了光栅法布里-珀罗干涉仪的失配问题,从而保证系统静态工作点处于最佳匹配位置,同时能够避免探头因环境温度波动导致的测量误差.实验结果表明,该系统能够响应50~800 Hz的输入信号,应变最小分辨力至少为0.4 nε/Hz^1/2,解调灵敏度高,且不受环境温度波动的影响,因而在动态应变或振动测量中具有较高的实用性.     

基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变解调方法

提出并实验验证了一种基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变传感器解调方法,该方法综合了光纤法布里-珀罗干涉技术和匹配光纤光栅滤波法的优点.通过半导体制冷片和压电陶瓷组成的闭环负反馈控制系统,精确调节匹配光栅法布里-珀罗干涉仪的温度和应变,有效解决了光栅法布里-珀罗干涉仪的失配问题,从而保证系统静态工作点处于最佳匹配位置,同时能够避免探头因环境温度波动导致的测量误差.实验结果表明,该系统能够响应50～800Hz的输入信号,应变最小分辨力至少为0.4nε/Hz1/2,解调灵敏度高,且不受环境温度波动的影响,因而在动态应变或振动测量中具有较高的实用性.     

基于复合波长参考的温度稳定光纤光栅传感解调研究

为实现温度稳定的光纤光栅传感解调,提出了综合使用法布里-珀罗(F-P)标准具和乙炔气室进行实时复合波长参考的校正方法。分析了F-P标准具透射光谱和乙炔气室吸收光谱的温度漂移特性。建立实验系统,测试了F-P标准具透射光谱的温度漂移特性,实验显示F-P标准具谱线平均温度灵敏度为1.16 pm/℃,谱线温度重复性误差可达13.0 pm。进行了基于F-P标准具单独参考和基于复合波长参考的解调温度稳定性实验,实验结果表明0℃~55℃的高低温循环,基于F-P标准具单独参考的解调值变化范围为±32.7 pm,标准差为20.7 pm,基于复合波长参考的解调值变化范围为±1.2 pm,标准差为0.39 pm,解调值变化范围温度稳定性提高了27倍。     

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。     

基于最小二乘支持向量机和多参考光栅的可调谐滤波器解调误差动态补偿

可调谐法布里-珀罗（F-P）滤波器的磁滞和温度漂移是限制其解调精度的重要因素。现有研究很少考虑同时对磁滞和温度漂移进行动态补偿。针对光纤布拉格光栅（FBG）解调误差,提出了一种基于最小二乘支持向量机（LSSVM）的动态补偿方法。考虑到参考光栅与传感光栅的反射光谱经过可调滤波器后具有相似的漂移特性,将多个参考光栅的波长漂移作为LSSVM模型的输入特征,以预测传感光栅的反射光经过可调滤波器后的波长漂移误差。在单调降温和先降温后升温的数据集上分别对所提方法进行了验证,实验结果表明：当未引入参考光栅作为模型特征时,两个数据集的补偿后最大绝对误差分别达到33.65 pm和69.25 pm;在引入参考光栅作为模型特征后,补偿后的最大绝对误差分别降至3.63 pm和7.84 pm,即所提方法在不同温变模式下均有效提高了F-P滤波器的解调精度。     

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.     

具有有源闭合腔的光纤光栅传感系统地址查询技术

基于熔融拉锥技术研制的3 dB宽带耦合器的光纤环形镜的工作原理,提出了一种新型的具有有源闭合腔装置的光纤光栅传感系统。在用作闭合共振腔端镜的环形镜中写入十个波分复用光纤光栅传感元,利用共振腔中接入的法布里-珀罗滤波器,通过控制电压对传感光栅的波长扫描,实现对传感地址的查询。用非平衡的迈克耳孙扫描干涉仪将传感光栅的波长漂移信息变为相移信息,实现传感信号的解调。系统传感灵敏度的实验值为1.5835°/10-6ε,与理论值(1.6662°/10-6ε)基本吻合。     

基于游标效应的增敏型光纤法布里-珀罗干涉仪温度传感器

本文介绍了一种高灵敏度光纤温度传感器.该传感器由一小段毛细管熔接于单模光纤和一段大模场光纤之间而构成串联的两个法布里-珀罗干涉仪.由于俩干涉仪具有相近的自由光谱区,因而它们的叠加光谱会产生游标效应.实验结果显示,利用游标效应解调,该传感器的温度灵敏度可从单一空气腔法布里-珀罗干涉仪的0.71 pm/℃提高到179.30 pm/℃.该传感器结构紧凑(1 mm)且灵敏度高,具有良好的应用前景.     

基于拉锥光纤布拉格光栅的法布里-珀罗应变传感器的仿真研究

为解决干涉型光纤应变传感器自由光谱范围较小或干涉条纹精细度较低等问题,提出了一种基于单拉锥光纤布拉格光栅的法布里-珀罗腔的应变传感结构及其改进方案。利用啁啾光纤布拉格光栅不同位置反射不同波长的特性,形成腔长随波长连续变化的法布里-珀罗腔,得到了无穷大的自由光谱范围且谐振谷精细度高。数值计算结果表明,应变传感灵敏度与拉锥光纤的腰区直径和栅区长度正相关。在0～300 με范围内,当腰区直径为光纤直径的3/25,栅区长度为30 mm时,应变传感灵敏度为7.05 pm/με。该结果对其他干涉型传感结构的设计具有一定的参考价值。     

基于可调谐F-P滤波器的FBG波长解调系统的动态实时校准方法

为减小可调谐法布里-珀罗(F-P)滤波器驱动元件的温度漂移及非线性导致的光纤布拉格光栅(FBG)波长解调误差,在分析比较串联型和并联型两种校正方案基础上,提出了一种改进型串联实时校准方法。设计了具备高热稳定性且内部温度分布均匀的参考光栅模块,通过实时测量紧贴参考光栅埋入的高精度热电阻温度值及事先标定的4支参考光栅波长与热电阻温度值对应关系,获取4个精确波长参考点,在每次扫描时实时校准可调谐F-P滤波器透射波长与驱动电压函数关系。实验结果表明采用改进的动态实时校准方法解调FBG波长的最大误差为±3 pm。与通过直接读取驱动电压确定FBG中心波长的方法相比,解调精度提高了6倍;与已报道的串联校正方法相比,解调精度提高了3倍。     

光纤光栅传感器阵列有源时域地址查询技术

报道了一种基于环形腔光纤激光器和1×4模拟电子开关的具备实时监测功能的光纤光栅传感网络查询技术,利用级联的波分复用光栅串充当环形腔光纤激光器端镜,借助可调法布里珀罗滤波器对反射的信号光进行扫描,调整光路结构并增加抽运光强度使信号光得到足够的增益,则可获得各传感元工作波长的激光脉冲,且依时序输出。又引入1×4模拟电子开关,将转换为电信号的激光输出按时序分配至4个输出信道。结合非平衡扫描干涉解调技术,实现了对4光栅传感阵列的查询解调。1555 nm波长时系统传感灵敏度的实验值为1.630°/με,与理论值1.674°/με基本吻合。     

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。     

双法布里—珀罗干涉仪传感模型的理论分析

本文提出了一种用发光二极管作为光源、用自聚焦透镜构成法布里-珀罗腔的双法布里-珀罗干涉仪光纤位移传感模型.根据部分相干光的干涉理论,得到了这个传感模型输出光强与两个法布里一珀罗干涉仪腔长之差的函数曲线.     

多腔型光纤法布里-珀罗传感器三波长动态解调技术

针对在多腔型法布里-珀罗传感器中难以提取动态信号的问题,提出了一种用于多腔型法布里-珀罗传感器的三波长解调技术。该解调技术使用放大自发辐射光源和三个固定中心波长的宽带光纤滤波器,使干涉现象仅发生在多腔型光纤法布里-珀罗传感器的短腔中,以此提取较短腔的三个干涉信号。建立了校正算法和反正切算法来提取振动信号。实验结果表明,该解调技术成功提取了频率为1 kHz、峰峰值幅度为2.6μm的振动信号。解调速度为500 kHz,解调分辨率为0.25 nm。该解调技术具有系统紧凑、成本低、速度快、鲁棒性高等优点,在多腔型法布里-珀罗传感器方面有巨大的潜力。     

双波长相移光纤光栅的光谱特性及传感应用

建立了双波长相移光纤光栅的理论模型,对双波长相移光纤光栅的透射谱特性进行了数值仿真,结果表明透射波长间隔会分别随相移量、折射率调制深度和光栅长度的变化而有规律地增减.借助光纤布拉格光栅的法布里-珀罗腔谐振相位条件计算了透射峰间隔的表达式,该表达式得到的透射峰间距曲线与数值仿真得到的曲线相符合,验证了数值仿真结果的正确性.最后,在光栅透射谱波长间隔变化规律的基础上提出一种传感方案,并对光栅的温度传感特性进行分析,理论推导得到灵敏度约为60pm/℃.     

光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感技术研究进展

光纤法布里-珀罗干涉温度和压力传感器具有灵敏度高、制作简单、成本低、体积小和抗电磁干扰能力强等优点,已被广泛应用于军事和民用领域.在某些环境恶劣,如具有强电磁干扰和腐蚀性,或提供给传感器的安装空间非常有限的特殊工业领域,微型光纤温度和压力传感器发挥着重要的作用,国内外诸多高校、科研院所都在对其进行研究.本文综述了光纤法布里-珀罗干涉仪的基本原理、制备技术、及其压力和温度传感应用的研究进展.详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见光纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺,分析了不同制作工艺的优缺点;详细介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪在温度传感、压力传感和温压一体传感领域的应用;最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感器的发展进行了总结和展望.     

短腔长复合式光纤法布里-珀罗压力传感器椭圆拟合腔长解调算法

建立了一种短腔长复合式光纤法布里-珀罗压力传感器反射光谱的模型,提出了一种双参数椭圆拟合腔长解调算法,并对腔长为26～30μm的复合式法布里-珀罗腔的解调进行了仿真。结果表明,采用双参数椭圆拟合算法进行腔长解调的最大误差仅为0.05μm。搭建了光纤法布里-珀罗传感器解调系统,在加压条件下对复合式光纤法布里-珀罗压力传感器进行了解调实验,实现了20 kHz的解调速率,验证了所提算法在解调短腔长复合式光纤法布里-珀罗压力传感器方面的可行性与实时性。     

具有温度补偿功能的光纤振动测量系统

针对光纤振动传感器受温度影响和灵敏度低的问题,设计了具有温度补偿功能的光纤振动测量系统.为减小温度对振动测量的影响,系统利用光纤布喇格光栅测量环境温度,对振动加速度值进行补偿;采用可调谐法布里-珀罗滤波器进行波长解调,并将其作为光纤反射镜,以提高传感器的灵敏度.分析并测试了振动和温度同时测量时的相互影响,结果表明,振动对光纤布喇格光栅中心波长的影响很小,通过数据处理的方法,可消除法布里-珀罗滤波器扫描对振动测量的影响;实验测得,温度变化25℃时,振动加速度最大相对测量误差为1.65%,振动测量的灵敏度为107.70mV/g.