標定方法提高布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)測量精度

提出了一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級聯(lián)長周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個線性區(qū)監(jiān)測單個光纖布拉格光柵傳感信號。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低等優(yōu)點,但易受光源抖動及系統(tǒng)其他不穩(wěn)定因素等帶來的系統(tǒng)噪聲的影響。為消除系統(tǒng)噪聲帶來的不利影響,對該系統(tǒng)進行了改進。改進系統(tǒng)利用級聯(lián)長周期光纖光柵的兩個線性區(qū)同時監(jiān)測兩個光纖布拉格光柵傳感信號。分別用原系統(tǒng)及其改進系統(tǒng)對溫度進行監(jiān)測,實驗的溫度測量范圍為-70～-115°c。原系統(tǒng)的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進系統(tǒng)的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實驗結(jié)果表明改進系統(tǒng)能有效消除系統(tǒng)噪聲,提高系統(tǒng)的精度。

為實現(xiàn)高速度、高精度的光纖光柵傳感解調(diào)，提出了一種基于狀態(tài)機的自適應半峰檢測尋峰算法。算法通過對fbg反射波形的實時跟蹤確定波形數(shù)據(jù)，通過對波形數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得到尋峰閾值，通過校驗與補償精確得到峰值位置。實驗測試表明，對于2khz的解調(diào)速度，解調(diào)分辨率達到1pm，靜態(tài)噪聲在±2pm以內(nèi)，長時間測試的穩(wěn)定性誤差在2pm以內(nèi)，系統(tǒng)動態(tài)范圍在0～-30db，光功率衰減導致的穩(wěn)定性誤差在4pm以內(nèi)。這表明，本算法從速度、精度、抗干擾性、穩(wěn)定性等方面都能夠滿足高速解調(diào)的需要。

提出了一種基于fpga與dsp平臺的光纖布拉格光柵傳感分析儀,將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為光纖布拉格光柵波長的偏移,通過數(shù)據(jù)采集、過濾雜波、信號波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長計算等關(guān)鍵步驟來實現(xiàn)波長解調(diào)技術(shù),進而完成溫度、應變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實現(xiàn)光纖線路故障分析與定位的功能。實驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)功耗低、線性度好、波長解調(diào)精度與分辨率較高。經(jīng)過長期測試,系統(tǒng)軟硬件運行穩(wěn)定可靠。

針對反射體布拉格光柵譜組束中缺乏精密控制儀器的實驗條件,采用透鏡作為光束入射角和準直控制器件,設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單的譜組束系統(tǒng)?；谘苌湫史匠?得到了光柵最佳設(shè)計參數(shù);基于像差理論,得到了透鏡最佳設(shè)計參數(shù)。針對該設(shè)計系統(tǒng),對影響組束效果的因素進行了分析,并對組束效果進行了預測。結(jié)果表明:當激光束的譜寬小于1.5nm時,設(shè)計系統(tǒng)的組束效率能超過90%;而當光束的譜寬達到2.1nm時,設(shè)計系統(tǒng)也能獲得超過88.7%的組束效率。

設(shè)計了一種基于機械感生長周期光纖光柵(mi-lpg)的雙邊緣濾波光纖布拉格光柵(fbg)傳感解調(diào)方案。采用不同寫制參數(shù)制作了諧振邊帶對稱交迭,諧振峰值和帶寬相同的兩個mi-lpg作為濾波器,利用反射fbg信號通過不同光譜特性的濾波器時輸出不同光強的比值對數(shù)算法確定被測波長。實驗表明,本解調(diào)方法能夠精確、穩(wěn)定地實現(xiàn)fbg傳感信號的解調(diào),動態(tài)范圍可達5nm,解調(diào)系統(tǒng)線性擬合計算值和光譜儀所測波長值的均方差為6pm,線性度好,精度高。

提出了基于可調(diào)激光器和聲光脈沖調(diào)制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統(tǒng),同時利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結(jié)合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的傳輸距離,達到了300km的超長距離傳感。該系統(tǒng)通過前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來補償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長度時獲得了大于15db的優(yōu)良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應變實驗中,線性度均達到了0.999以上。系統(tǒng)可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長距離遙測中得到廣泛應用。

提出一種在布拉格光線光柵(fbg)表面電鍍金屬的方法,以達到保護光纖光柵的目的。介紹了鍍前預處理、化學鍍以及電鍍過程,確定了鍍液配方及工藝;并進行了溫度傳感試驗。通過對實驗結(jié)果的分析,表明這種方法不僅可以獲得厚度理想的金屬保護層,同時可以提高光纖光柵的溫度靈敏度。

闡述了光纖布拉格光柵的重構(gòu)理論及被廣泛采用的剝層算法,指出了剝層算法在重構(gòu)強反射光柵時的弊端,提出了一種剝層算法和遺傳算法相結(jié)合的方法來重構(gòu)強反射光柵。此方法先由剝層算法得到光柵耦合系數(shù)的初始值,再依據(jù)重新采樣后的初始值創(chuàng)建初始種群,通過遺傳算法實現(xiàn)對剝層算法所得結(jié)果的后半部分進行優(yōu)化。數(shù)值模擬表明此方法有效地改善了剝層算法的結(jié)果,具有較快的收斂速度和很好的精度,能適用于大多數(shù)強反射光柵的重構(gòu)。

根據(jù)理想模展開下的耦合模方程,對光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進行了數(shù)學推導,得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達式。全面討論了光柵周期、光纖柵長、光致折射率微擾最大值等參數(shù)與光纖光柵反射光譜的關(guān)系。仿真結(jié)果顯示了固定參數(shù)下布拉格光柵的極限窄帶寬,得到的反射率為1、帶寬為0.02nm的窄帶寬布拉格光柵,比現(xiàn)今分布式傳感系統(tǒng)中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個數(shù)量級。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統(tǒng),可大大提高分布式傳感系統(tǒng)中光源的帶寬利用率,消除各信號間的相互串擾,提高傳感光柵復用數(shù)目,降低解調(diào)系統(tǒng)成本。

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據(jù)鍍nifbg的特點,分析了鍍nifbg溫度變化時的應力應變,從理論上推導出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過實驗進行了驗證,用理論證明了鍍nifbg的波長漂移、應力和應變與溫度變化成線性關(guān)系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關(guān)系。用an-sys軟件對鍍nifbg在溫度變化時的應力應變進行了仿真。理論分析得到鍍層厚度為4.56μm的鍍nifbg的溫度靈敏度為14.3306pm/℃,實驗值為14.113pm/℃。理論、實驗和仿真得到了一致的結(jié)果。

兩電流產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個布拉格光柵的波長漂移差,得到被測電流。雙光纖布拉格光柵通過補償溫度效應,解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

研究了單模光纖布拉格光柵的偏振相關(guān)損耗(pdl)特性。運用耦合模理論和瓊斯(jones)矩陣提出了反射光的有效偏振相關(guān)損耗(pdleff),并模擬了其隨光柵參數(shù)和雙折射量的變化性質(zhì)。光柵反射光的偏振相關(guān)損耗在反射譜的帶邊處明顯地表現(xiàn)出來,特別是帶邊比較陡峭時。結(jié)果表明,光柵的有效偏振相關(guān)損耗明顯地依賴于光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和雙折射量。光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨光柵長度和調(diào)制深度的增加急劇增大。對于給定光柵長度和調(diào)制深度的光柵,光柵雙折射量小于2×10-5時,光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨雙折射的增大迅速增大;光柵雙折射量大于2.5×10-4時,光柵的有效偏振相關(guān)損耗的兩個主峰的寬度變大并在其上有子峰,隨雙折射的繼續(xù)增大,兩主峰間距增大而子峰變小。實驗結(jié)果與理論模擬基本吻合。

基于光纖光柵傳感技術(shù),采用光纖光柵應變計、光纖光柵溫度計、光纖光柵位移計對一座既有預應力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動載試驗進行了測試;對比分析了傳統(tǒng)傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)的測試結(jié)果。結(jié)果表明:傳統(tǒng)傳感器和光纖傳感器實橋測量結(jié)果與計算結(jié)果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實際受力狀態(tài);且光纖光柵傳感器可以真實反映加載的整個過程,實現(xiàn)加載過程的實時連續(xù)監(jiān)控。

采用數(shù)值模擬的方法研究了光纖布拉格光柵(fbg)的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性。從耦合模理論出發(fā),利用jacobi橢圓函數(shù)法得到了3種不同的解,首先對3種解下的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性分別進行比較,然后針對各個解下的影響開關(guān)特性的失諧量、耦合系數(shù)和光柵長度等參數(shù)進行分析,研究結(jié)果對于分析和構(gòu)建非線性雙穩(wěn)fbg光開關(guān)具有一定的意義。

從布拉格光柵方程出發(fā),理論上分析了在溫度、應變雙參量同時測量時,考慮溫度-應變交叉靈敏度、二階應變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應變測量的誤差的一般數(shù)學公式.結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進行了溫度和應變的誤差計算,得出3個二階靈敏度在不同的溫度變化、應變范圍內(nèi)對測量誤差的貢獻不同.同時給出了波長的漂移量與溫度、應變呈線性關(guān)系時,溫度變化和應變的范圍.

針對傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測技術(shù)中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實現(xiàn)體內(nèi)長期監(jiān)測等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監(jiān)測的實現(xiàn)原理及應用方式.基于fbg應力傳感原理,將不同中心波長的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進行載荷實驗,隨后將采集的布拉格波長換算成形變,實時顯示骨骼受載荷時的形變趨勢.實驗采用在多點粘貼f3g的方式,避免了溫度、應變交叉?zhèn)鞲械膯栴}.實驗表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長變化與該位置受力產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對應關(guān)系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達39.00525pm/mm.實驗結(jié)果對發(fā)展微型、實時、集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

推導并驗證了非啁啾取樣光纖布拉格光柵(sfbg)反射譜中反射峰值波長的表達式?；诜N子光柵中心波長對應的折射率調(diào)制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調(diào)制函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度和各階光柵周期,從而導出其反射峰值波長的表達式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)參量,因而表達式能夠描述反射峰的分布。仿真實驗中,不同占空比或取樣周期下計算出的反射峰值波長、信道間隔符合數(shù)值反射譜。該表達式既適用于均勻取樣光纖布拉格光柵,也適用于交流切趾和交直流切趾取樣光纖布拉格光柵。

載流導線在磁場中產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵(fbg)的布拉格波長漂移。通過檢測2個fbg的波長漂移差,得到被測磁場的磁感應強度。雙fbg通過補償溫度效應,解決了fbg傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對誤差為4.31%,結(jié)果表明,該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

文中介紹了光纖布拉格光柵的原理;根據(jù)耦合模方程,介紹了幾種光柵的仿真方法;分別以光纖布拉格光柵濾波器、色散補償器、相移光柵和采樣光柵為例說明了光纖光柵的設(shè)計方法。

由法拉第效應原理,通過測量磁場引起光纖布拉格光柵(fbg)的偏振相關(guān)損耗(pdl),可以測得磁感應強度大小。fbg中線雙折射的存在,同樣改變了光的偏振特性,仿真并實驗驗證了fbg固有偏振相關(guān)損耗的特點。利用瓊斯矩陣法理論推導了fbg在既有雙折射又有磁場影響時,輸入線偏振光偏振態(tài)的變化規(guī)律。通過對偏振相關(guān)損耗與線偏振光起偏角和雙折射大小的仿真分析可知,不同起偏角的線偏光對線雙折射的敏感度不同。在線雙折射的影響下,偏振相關(guān)損耗峰值隨起偏角大小呈周期性變化,對磁場測量的靈敏度產(chǎn)生影響,而與磁感應強度的線性關(guān)系并未發(fā)生變化。

基于光纖布拉格光柵的應變測試原理,在天津奧體中心體育場的鋼屋蓋結(jié)構(gòu)中,運用光纖布拉格光柵進行吊裝和撤撐的長期應變測試,并詳細介紹了等強度懸臂梁的測試和長期荷載試驗,以及在天津奧體工程中的測試部位布置和傳感器安裝的過程。結(jié)果表明,用光纖布拉格光柵系統(tǒng)測試鋼結(jié)構(gòu)的拉應力是切實可行的。同時,使用光纖布拉格光柵對大型鋼結(jié)構(gòu)進行長期健康監(jiān)測具有良好的發(fā)展前景。

理論分析和模擬計算了少模光纖布拉格光柵基模及高階模的耦合與傳輸特性,得到在相同外部折射率變化情況下,少模光纖基模與高階模耦合對應的布拉格波長變化,比正、反向基模之間耦合對應的布拉格波長變化顯著增大。實驗上制作了少模光纖布拉格光柵,測量了基模之間以及基模與高階模之間對應的布拉格波長隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結(jié)果。而對于溫度變化對折射率測量結(jié)果干擾的問題,提出了通過計算布拉格波長差來克服溫度影響的方法。這些結(jié)果為采用布拉格光纖光柵測量外部折射率變化提供了一種新的途徑。