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化為光纖布拉格光柵波長的偏移,通過數據采集、過濾雜波、信號波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權波長計算等關鍵步驟來實現波長解調技術,進而完成溫度、應變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實現光纖線路故障分析與定位的功能。實驗結果表明:該系統功耗低、線性度好、波長解調精度與分辨率較高。經過長期測試,系統軟硬件運行穩定可靠。

兩電流產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啁啾現象,又避免了自身重量和導線重量對測量結果的影響,從而減少了測量誤差。該系統傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對誤差為3.38%,結果表明該傳感器結構是可行的。

載流導線在磁場中產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啁啾現象,又避免了自身重量和導線重量對測量結果的影響,從而減少了測量誤差。該系統傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對誤差為4.31%,結果表明,該傳感器結構是可行的。

闡述了光纖布拉格光柵的幾種解調方法及實驗原理框圖,并介紹了各種解調方法的優缺點。

設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)傳感解調方案。采用不同寫制參數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算法確定被測波長。實驗表明,本解調方法能夠精確、穩定地實現fbg傳感信號的解調,動態范圍可達5nm,解調系統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。

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

基于光纖耦合器的波長特性,分析了光纖耦合器作為梳狀濾波器的光譜特性;將長度不同的雙芯光纖(twin-corefiber,tcf)熔接在兩根單模光纖(singlemodefibors,smf)之間,實驗制得具有不同峰值波長間隔的基于雙芯光纖耦合器的全光纖型梳狀濾波器,其消光比可達25db.首次使用co2激光對其進行光譜調節,調節導致光譜向長波方向漂移和消光比的變化.這種調節是基于co2與光纖相互作用時的殘余應力釋放和熔融變形機理,使用氫載tcf可以在相同實驗參數下得到更大的波長調節激光.

基于光纖布拉格光柵傳感模型,提出了一種懸臂梁與波登管相結合的光纖光柵壓強傳感器的組合設計,推導了光纖布拉格光柵中心波長偏移量與壓強之間的解析關系式。理論和實驗結果表明,壓強調諧光纖布拉格波長的靈敏度系數的理論值與實驗值分別為0.2246nm/mpa、0.2218nm/mpa,在0~6mpa測壓范圍內,調諧范圍為1.35nm.

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據鍍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系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關系。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果。

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。基于種子光柵中心波長對應的折射率調制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調制函數的傅里葉級數展開式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調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構參量,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。

給出了光波導式小波濾波器的設計方案,該方案采用單模光纖耦合器作為系數實現載體,通過控制特性參數實現了具有不同分光比的耦合器基本單元,然后組合和級聯基本單元實現特定的小波濾波器系數,具有精確度高,集成度好,穩定性強的優勢。分析了與系數實現相關的熔錐型單模光纖耦合器的形狀特性,橫截面沿縱向變化的錐形區和橫截面近似不變的耦合區內的耦合特性,根據理論推導,用仿真手段設計3db單模光纖耦合器,實現了haar小波的濾波器系數,誤差在3%以內,證明了光波導式小波濾波器設計方案的正確性和有效性。

介紹了現有汽車中進氣溫度傳感器的工作原理。針對其存在的缺點,提出了將光纖布拉格光柵溫度傳感器應用到汽車中的設想,并通過比較選擇線性邊帶濾波法作為解調方法。通過實驗測定光纖傳感器完全可滿足汽車中傳感器的要求。

本文研究了一種新的帶有溫度補償功能的光纖布拉格光柵水聽器封裝。這種水聽器的傳感機制在于將水下聲壓信號轉換為圓形薄板的軸向彈性振動,通過彈光效應實現光纖光柵中心波長的瞬時改變,從而對經過光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)的反射光信號實現幅度調制。對2.5～12khz水聲頻率范圍進行了實驗測試,實驗結果表明,這種水聽器的靈敏度可達到-185dbre1v/μpa,最小可探測聲壓在5khz約為900μpa/hz~(1/2)。

分析光纖光柵傳感原理,闡述可調光纖f-p濾波器的工作機理和特點,并介紹了基于arm實現光纖布拉格光柵(fbg)傳感器的解調系統的硬件結構和軟件設計。采用三星公司的s3c44box對經過可調諧f-p腔解調后的波長信息進行采集,并對得到的數據進行處理。實驗結果表明系統可以滿足一般的工程要求。

提出了由1個3×3和1個2×2單模光纖耦合器級聯組成的反射式光纖梳狀波長濾波器,給出了其基本結構形式,并對其特性進行了分析。分析結果表明:當組成濾波器的2個耦合器的分光比和光纖干涉臂之差取一些定值時,可以使濾波器產生性能良好的梳狀輸出譜圖。與采用3個耦合器串聯而成的級聯mach-zehnder干涉儀(mzi)相比,該器件可以實現相同的功能,但只用到2個耦合器,并且在實際制作時可以對耦合器的分光比進行準確的監測和控制。研制出了具有輸出峰間隔為1.6nm、近似于方波的波長交錯濾波器,理論與實驗結果基本相符。

研究了單模光纖布拉格光柵的偏振相關損耗(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損耗(pdleff),并模擬了其隨光柵參數和雙折射量的變化性質。光柵反射光的偏振相關損耗在反射譜的帶邊處明顯地表現出來,特別是帶邊比較陡峭時。結果表明,光柵的有效偏振相關損耗明顯地依賴于光柵的結構參數和雙折射量。光柵的有效偏振相關損耗隨光柵長度和調制深度的增加急劇增大。對于給定光柵長度和調制深度的光柵,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,隨雙折射的繼續增大,兩主峰間距增大而子峰變小。實驗結果與理論模擬基本吻合。

基于光纖光柵傳感技術,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;對比分析了傳統傳感技術與光纖光柵傳感技術的測試結果。結果表明:傳統傳感器和光纖傳感器實橋測量結果與計算結果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實際受力狀態;且光纖光柵傳感器可以真實反映加載的整個過程,實現加載過程的實時連續監控。

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

從布拉格光柵方程出發,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學公式.結合實驗數據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、應變呈線性關系時,溫度變化和應變的范圍.

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

針對傳統骨骼形變監測技術中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實現體內長期監測等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監測的實現原理及應用方式.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、應變交叉傳感的問題.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生的彎曲形變具有明顯的線性對應關系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達39.00525pm/mm.實驗結果對發展微型、實時、集成骨骼健康監控具有一定的參考意義.

根據耦合模理論,數值模擬了多模光纖布拉格光柵的傾斜角度對纖芯基模向纖芯高階模式的轉換問題.反射光譜的數值計算中,假定只有lp01模式激發情況下lp01模式與lp11模式的轉換。