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啁啾光纤光栅的传感性能及测量方法研究

功能材料 2014年第12期45卷 12093-12096页

作者：南秋明宋蕾李盛武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室武汉430074 武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室武汉430074 辽宁科技大学电子与信息工程学院辽宁鞍山114000

介绍了啁啾光纤光栅的物理结构和传感原理,引入参考光栅,采用调制光强的方法实现了啁啾光纤光栅的传感信号解调,测试了它的应变和温度传感性能,测试数据显示其应变和温度传感曲线的线性度分别为0.9991和0.9989,表明啁啾光纤光栅具有较... 详细信息

介绍了啁啾光纤光栅的物理结构和传感原理,引入参考光栅,采用调制光强的方法实现了啁啾光纤光栅的传感信号解调,测试了它的应变和温度传感性能,测试数据显示其应变和温度传感曲线的线性度分别为0.9991和0.9989,表明啁啾光纤光栅具有较好的线性传感特性。为了解决长期检测时测量结果受光源衰减影响的问题,提出了一种新型的基于光强比值的解调处理算法并进行了实验验证,结果表明,该方法不仅极大地提高了啁啾光纤光栅用于长期检测的测量精度,还具有温度自补偿功能,提高了抗干扰能力,满足长期测试需求。

关键词：啁啾光纤光栅光强解调光源衰减比值处理算法

基于法布里-珀罗干涉仪的高灵敏度光纤传声器

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北京理工大学学报 2014年第12期34卷 1294-1298页

作者：赵龙江冯杰程进冯晖邹小平中国电子科技集团公司第三研究所北京100015 北京信息科技大学传感技术研究中心北京100101

论文系统完整地描述了基于法布里-珀罗干涉仪的高灵敏度光纤传声器的研究,内容包括法布里-珀罗干涉仪、光强度解调和电压输出.根据基本原理分析和计算,通过对结构紧凑传感头、放大的自发辐射(ASE)宽带光源与密波分复用器(DWDM)选配组合... 详细信息

论文系统完整地描述了基于法布里-珀罗干涉仪的高灵敏度光纤传声器的研究,内容包括法布里-珀罗干涉仪、光强度解调和电压输出.根据基本原理分析和计算,通过对结构紧凑传感头、放大的自发辐射(ASE)宽带光源与密波分复用器(DWDM)选配组合的相干光源以及跨阻和前置放大电路的设计,制作完成了光纤传声器.该光纤传声器具有高灵敏度值为247mV/Pa,在频率范围30Hz^4kHz内的平坦度小于2dB,以及高信噪比和低总谐波失真.

关键词：法布里-珀罗干涉仪光强解调 DWDM 光纤传声器高灵敏度

基于半球谐振腔的微光学加速度计结构设计仿真研究

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传感器与微系统 2022年第5期41卷 44-47,52页

作者：张婷杨波东南大学仪器科学与工程学院江苏南京210096 东南大学微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室江苏南京210096

将微纳半球谐振腔与微机械加速度计结构相结合,设计了一种基于半球谐振腔的微光学加速度计。首先分析了微光学加速度计的基本工作原理,接着分析了反射膜和增透膜材料对微纳腔影响规律,并利用时域有限差分(FDTD)光学仿真软件进行仿真测试... 详细信息

将微纳半球谐振腔与微机械加速度计结构相结合,设计了一种基于半球谐振腔的微光学加速度计。首先分析了微光学加速度计的基本工作原理,接着分析了反射膜和增透膜材料对微纳腔影响规律,并利用时域有限差分(FDTD)光学仿真软件进行仿真测试,研究了不同膜厚对谐振腔谐振效果的影响。最后基于光强解调原理,利用仿真软件得到光强信号与变化腔长的关系,实现了对输出光强信号的解调,从仿真角度验证了本方案的可行性。

关键词：半球腔微光学加速度计反射膜增透膜光强解调

基于全光纤MZI对GMM-FBG电流传感器的温度补偿原理研究

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基于全光纤MZI对GMM-FBG电流传感器的温度补偿原理研究

作者：张生艳兰州交通大学

学位级别：硕士

电流参数是反映各电气设备和电力系统运行状况的关键参数。因此,用以电流检测的设备电流互感器(CT)在电力系统中具有重要的地位,能够反映电力系统运行状况,确保其安全运行的关键设备。然而传统的电磁式CT在检测高电压、大电流时,因自身... 详细信息

电流参数是反映各电气设备和电力系统运行状况的关键参数。因此,用以电流检测的设备电流互感器(CT)在电力系统中具有重要的地位,能够反映电力系统运行状况,确保其安全运行的关键设备。然而传统的电磁式CT在检测高电压、大电流时,因自身采用铁磁线圈结构、体积大、高低压侧存在电联系、充油等结构特点,暴露出的高压绝缘难、易出现铁磁饱和等问题,难以实现对大电流的安全检测。所以,研究一种能够克服电磁式CT在大电流测量中暴露出的不足的新型电流互感器对实现电流安全检测尤为重要。目前我国研究的新型电流互感器主要是光学电流互感器(OCT)。由于OCT采用了光纤材料,具有体积小、绝缘性能好、抗干扰能力强等特点,可以在传统的电磁式CT难以工作的较小的工作空间、大电流检测等特殊环境中工作,从而解决电磁式CT难以解决的工作。在几类OCT中,由超磁致伸缩材料(GMM)和光纤光栅(FBG)组成的GMM-FBG电流传感器,因FBG是波长编码,不仅抗干扰能力很强、易于复用,还能克服基于法拉第效应的磁光型OCT受线性双折射问题的影响,在OCT中具有重要的研究地位。但是,FBG温度-应变交叉敏感问题会降低GMM-FBG电流传感器的测量精度,FBG波长编码信号解调存在很大困难以及解调设备成本过高影响着GMM-FBG电流传感器的解调精度和解调成本。全光纤马赫-曾德干涉仪(MZI)具有制造成本低、插入损耗小、输出脉冲均匀、易复用等良好的性能,所以本文主要从GMM-FBG电流传感器的温度补偿和以全光纤MZI作为前置器件对FBG中心波长进行光强解调两方面展开研究。主要研究内容如下:(1)基于FBG的传感机理,通过对FBG反射谱的解析式的推导以及仿真分析。分析不同参数对FBG反射谱的影响,掌握FBG进行温度和应变传感的机理。(2)根据经典的J-A模型,推导出能够准确预测GMM磁滞特性的磁-力-热耦合的J-A模型,并通过matlab对其进行数值求解。研究GMM的磁致伸缩应变-磁场与应力和温度间的关系,GMM产生磁致伸缩应变的原理,分析并掌握温度对GMM的磁致伸缩应变-磁场曲线的影响,得出GMM工作在应变-磁场曲线的线性区间时,受温度的影响很小,可以忽略。(3)针对温度对GMM-FBG电流传感器测量精度的影响,主要探讨了单双差分温度补偿原理,考虑到单双差分温度补偿系统中,两FBG具有相同的温度响应,可通过对双FBG反射谱重叠区光强变化的探测实现温度补偿。理论分析得出双差分补偿系统的波长偏移量对电流的灵敏度是单差分补偿系统的2倍。并通过偏置磁场对GMM-FBG电流传感特性的仿真分析,验证了双差分温度补偿系统的可行性。(4)为解决解调精度和解调成本问题,提出以全光纤MZI作为解调系统的前置器件,分别探索了全光纤MZI对去敏温度补偿结构、单差分温度补偿结构和双差分温度补偿结构的GMM-FBG电流传感器的光强解调,并通过仿真对其进行分析。仿真结果表明,利用全光纤MZI输出的脉冲对FBG波长的选择,将FBG波长变化转换为光强变化的解调方法,可以提高解调精度,还可利用MZI的多个输出脉冲对多个GMM-FBG电流传感进行解调,可以减少解调设备。

关键词：光纤光栅超磁致伸缩材料温度补偿全光纤MZI 光强解调

基于DFB激光器的FBG加速度传感器解调系统

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基于DFB激光器的FBG加速度传感器解调系统

作者：师琪大连理工大学

学位级别：硕士

振动信号在土木、航空、大型机械等许多领域都具有重要的研究意义,是各界学者的广泛关注的一个重要问题,振动传感器的研究是进行振动信号监测的重要一环。光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强等优点,被广泛研究并应用... 详细信息

振动信号在土木、航空、大型机械等许多领域都具有重要的研究意义,是各界学者的广泛关注的一个重要问题,振动传感器的研究是进行振动信号监测的重要一环。光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强等优点,被广泛研究并应用于监测振动信号。必须与光纤光栅传感器配合使用的光纤光栅解调系统也是近年来研究的热点问题。目前国内外已经研制出多种加速度传感器,对光纤光栅解调系统的研究也越来越成熟,但是,国内外的解调系统主要集中在低频领域,对于高频信号的探测仍然有一些不足。本文主要针对光纤光栅加速度传感器进行数据采集,利用窄带光源解调与强度解调方式相结合,搭建基于分布式反馈激光器的光纤光栅加速度传感器高速解调系统,取得了以下工作结果:(1)设计光纤光栅加速度传感器,阅读大量参考文献对国内外的光纤光栅加速度传感器进行研究和分析,详细解释了光纤光栅加速度传感器的力学理论模型,设计制作了适用于本文搭建的高速解调系统的悬臂梁式加速度传感器,并对传感器进行了试验标定,标定结果表明该传感器的固有频率为86 Hz,在0.5g.5g的加速度范围内,加速度传感器的灵敏度能达到6.7pm/g,线性度也能达到0.9955。同时研发了一种基于双膜片式的光纤光栅加速度传感器,进行理论分析并完成了初步的验证性实验,证明在频率为50Hz,加速度为2.5g时,能够得到完整波形。(2)针对光纤光栅加速度传感器,构建了基于窄带光源解调法的强度调制型的解调方案,通过对目前常用的几种波长解调方法进行分析,说明了本文中提出的解调方案是有可能实行,且该方法解调精度高,解调速度快,在实际的工程应用上是有优势的,通过对DFB激光器进行详细阐述,设计了关于DFB激光器的光源模块,该模块的波长扫描范围能够达到3.8nm,光源的外部温度能够控制在30℃左右,温度浮动值在±0.2℃。(3)搭建整个光纤光栅解调系统后,利用LabVIEW软件编写了PC端的解调程序,解调程序包含三个主要的核心功能模块:数据通信模块负责解调仪和PC端之间的数据传输;温度参数设置的主要功能是计算出光功率谱的半波宽处所在的温度;存储模块的主要功能是对监测到的数据进行存储。此外,利用LabVIEW软件自带的功能对软件进行完善。解调软件运行良好,能够实现通讯、显示、存储等所有功能。(4)完成加速度传感器后,将传感器接入整个解调系统并进行测试,测试结果表明,解调仪的解调速率为500 Hz,解调精度能够达到0.02 mV电压,能够解调出完整的振动信号,经过添加滤波器后的信号稳定,说明解调系统能够完成对FBG加速度传感器的解调。

关键词： FBG加速度传感器光强解调 FBG解调系统 DFB激光器 LABVIEW

法布里—珀罗干涉型高精度光纤加速度计关键技术研究

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法布里—珀罗干涉型高精度光纤加速度计关键技术研究

作者：王晓云华中科技大学

学位级别：硕士

高精度加速度计在生物医学、交通应用、航空航天和地质灾害预测等各个领域都有重要应用。其中,法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉型光纤加速度计以其结构简单、灵敏度高、共模噪声抑制能力强等优点受到广泛关注。本文将光学检测与金属... 详细信息

高精度加速度计在生物医学、交通应用、航空航天和地质灾害预测等各个领域都有重要应用。其中,法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉型光纤加速度计以其结构简单、灵敏度高、共模噪声抑制能力强等优点受到广泛关注。本文将光学检测与金属挠性机械结构相结合,采用双簧片对称支撑结构以及腔长可控的光纤与机械结构集成方式,实现了小型一体化F-P干涉型高精度光纤加速度计。主要工作内容包括以下几个方面:(1)F-P干涉型光纤加速度计的理论研究与结构设计:在非本征光纤F-P干涉以及加速度计的工作原理基础上,分析了F-P干涉型光纤加速度计的工作原理;设计了一种厚度为0.08 mm、直径为25 mm的两圈阵列六环形槽口的圆形簧片结构,采用双簧片对称支撑的装配结构,并通过ANSYS软件仿真得到本征频率为14.31 Hz、最小交叉抑制比为1019的弹簧振子系统;最后,采用高精度机械加工和装配工艺,制备了小型一体化的F-P干涉型光纤加速度计。(2)F-P干涉型光纤加速度计的光强解调研究:采用光强解调法对光纤F-P干涉加速度计系统进行了实验研究,实验结果表明,加速度计弹簧振子的本征频率为11.93 Hz;开环情况下加速度测量范围为0.14 mg,噪声本底为15 ng/√Hz@1 Hz;采用PID电磁反馈实现对加速度计系统的闭环控制,从而使加速度计系统在噪声本底不变的情况下,测量范围增加至24 mg。(3)F-P干涉型光纤加速度计的相位生成载波解调研究:采用相位生成载波解调技术对加速度计系统进行了相位解调,实验结果表明,基于波长调制正交相位解调的光纤加速度计系统噪声本底为15 ng/√Hz@1 Hz、加速度测量范围为1.3 mg,说明该解调方法与光强解调法的开环相比具有更大的动态范围。本论文提出并实现了F-P干涉型高精度光纤加速度计,在结构和加速度计系统设计等方面取得了创新成果,促进了高精度光纤加速度计的进一步发展。

关键词：加速度计光纤法布里-珀罗干涉光强解调相位生成载波解调技术