数字化F-P前端的仿真验证

提出一种基于差分电容原理的新型数字化F-P滤波器电路控制系统,并基于FPGA对该系统进行了理论分析以及硬件验证,验证结果表明该系统避免了现有F-P滤光器模拟电路控制系统的系统时间稳定性差的问题,具有极高的抗干扰能力,为高稳定无漂移的F-P控制系统提供了新思路。

面阵对称翻转变换用于F-P微小角度测量系统

法布里珀罗(F-P)标准具应用于位移和角度测量时,其干涉成像同心圆环圆心坐标的准确计算对测量结果具有关键影响。针对面阵CCD传感器上干涉成像同心圆环在移动时存在的误差,利用干涉成像同心圆环有效信息,提出一种面阵像元正反细分的对称翻转算法,在理论分析的基础上进行算法和实验验证。将该算法应用于F-P微小角度测量系统并进行比对实验研究。实验结果表明该算法可将圆心坐标标准差减小至0.0028个像素单位;在±150″测量范围内,F-P微小角度测量系统的测量值与ELCOMAT HR自准直仪两者的示值误差不大于0.38″,经拟合修正后两者示值误差不大于0.06″,测量准确度得到有效提高。

基于L型轮辐结构膜片的窄频光纤F-P声波传感器研究

光纤声传感器被广泛应用在工业、医疗等领域。为了提高光纤F-P声传感器的性能,本文提出了一种L型轮辐结构的F-P传感膜片。膜片的厚度为15μm、梁宽度为0.5 mm、中心膜片的半径为1 mm。膜片由激光加工技术在304不锈钢上刻蚀而成。实验对1000 Hz下的传感器灵敏度进行研究,将传感器应用于光声池共振频率为1600 Hz的光声光谱气体检测系统中,并实现对50~100×10^(-6)的乙炔(C_(2)H_(2))气体浓度测量。实验结果表明,该传感器在1000 Hz下的声压灵敏度为25.4 nm/Pa,传感器可实现的最小可探测声压(MDP)为38.2μPa/Hz^(1/2)@1 kHz,声压信噪比为76.8 dB。实验所得到的光声光谱二次谐波信号的峰值与乙炔浓度呈现良好的线性关系,乙炔浓度的响应度为1.8 pm/10^(-6)。该传感器在光声光谱等单频声信号检测领域具有广泛的应用前景。

变压器故障特征气体光反馈频率锁定非对称线型F-P腔增强拉曼光谱检测研究

提出一种简便且高灵敏度的非对称腔镜线型F-P腔增强拉曼光谱气体检测技术,将腔谐振光直接反馈至二极管激光器,实现642 nm多量子阱二极管激光器稳定锁定到外部线型腔进行功率积累,从而增强气体拉曼信号。降低腔输入镜的反射率来使反馈光中谐振光的强度高于直反光,使谐振光在锁定过程中占主导地位。与传统技术相比,在没有添加任何附加光学元件或复杂光学布置的情况下,保证了腔内激光基本横向模式TEM00的稳定功率积累。用80 mW的二极管激光器在腔内累积产生320 W的激光。采用后向拉曼信号收集方式,在60 s积分时间下,对变压器主要故障特征气体CH_(4)、C_(2)H_(6)、C_(2)H_(4)、C_(2)H_(2)、CO、CO_(2)的检出限分别为1.3、4.4、2.7、1.2、10.5、5.1μL/L。

基于F-P光纤传感器的变压器油中双局部放电源定位研究

电力变压器作为电力系统中至关重要的能量转换设备,其稳定运行对于保障电能供应的可靠性具有重大意义。局部放电影响高压电气设备绝缘性能。局部放电在线监测不仅可以获取设备老化信息,还可以预测变压器寿命。局部放电源准确位置信息可以帮助检修人员制定精准维护计划,确保电力系统稳定,设备制造商可利用此信息优化结构和安装方法。变压器内部双局部放电源放电是一种更为复杂的故障类型,传统的检测方法难以准确捕捉到此类放电波形。F-P光纤传感器是一种新型的局部放电声学检测方式,该传感器结构小,灵敏度高,而且有较强的抗电磁干扰能力,可以内置于变压器内部实现复杂情况下的局部放电检测。在本研究中,研制了基于F-P光纤传感器的双局部放电源检测系统,采用基于多信号分类(MUSIC)测向原理的交叉定位算法,可以实现对变压器油中双局部放电源定位。总的来说,F-P光纤传感器阵列有较好的方向清晰度,可以实现准确定位。将该双局部放电源定位系统应用到了35 kV单相变压器模型上,验证了其对外绕组双局部放电源定位的有效性。

基于银膜片的MEMS光纤F-P水听器

针对膜片式水听器灵敏度和抗净水压能力无法兼得的问题,提出了一种基于银膜片的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)光纤法布里-珀罗(F-P)水听器,并对其进行了制作和测试。使用基于牺牲层的膜片工艺制作银膜片作为声压敏感单元,利用空气作为F-P腔内的材料,提升了MEMS光纤F-P水听器的声压灵敏度。对所制备的MEMS光纤F-P水听器的性能进行了测试和分析。结果表明,该光纤F-P水听器在80~800 Hz范围内相位灵敏度在-157±3 dB re 1rad/μPa范围内,400 Hz处的动态范围为56.21 dB。该水听器具有结构简单、灵敏度高等优势。

基于光纤Fabry-Perot滤波的光纤激光温度传感系统

提出并设计了一种基于氢氟酸腐蚀技术制备光纤微腔的方法,并通过熔接4.5mm长的单模光纤构成全光纤(Fabry-Perot,F-P)多光束干涉滤波结构,其主干涉谱周期为20.7nm,次级干涉谱周期为1.4nm;在此基础上,以光纤F-P滤波器作为选频器件搭建了掺铒光纤激光系统,实现了中心波长1560.40nm,信噪比15.441dB,3dB线宽0.28nm的窄线宽激光输出。实验中通过温度加热平台分别对光纤F-P滤波器进行升温和降温实验,在360~430℃的温度实验范围内,升温过程中激光波长产生红移,传感系统的温度灵敏度为13.80pm/℃,线性拟合度为99.82%;降温过程中激光传感系统的温度灵敏度为13.36pm/℃,线性拟合度为99.44%。本研究为高精度高温传感提供了一种激光系统测量方法。

基于可重构PRS的一维电子波束转向Fabry-Perot天线设计

设计了一种具有一维电子波束转向的新型Fabry-Perot(F-P)谐振腔天线。该天线由同轴探针馈电的方形微带贴片天线作为辐射源,并采用加载PIN二极管的可重构部分反射表面(Partially Reflective Surface,PRS)实现波束转向。所设计的可重构PRS由6×6个花瓣型单元组成,并均分为相等的两部分Part 1和Part 2,分别由两个控制信号独立控制,因此可以有选择地调节每部分PIN二极管的开关状态。所设计的天线具有三种不同的辐射模式。测量结果表明,天线主波束能够在+9°、0°、-9°三种离散状态下自由切换。所有状态下重叠的阻抗带宽(|S_(11)|<-10 dB)为5.5%(5.43~5.74 GHz),最大增益达到14.2 dBi。

基于FBG集成F-P干涉的温度–应变传感器研究

光纤温度–应变传感器因其突出性能已广泛应用于电力、建筑等领域的健康检测。提出了一种光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)结合法布里–珀罗(Fabry-Perot,F-P)结构的温度–应变集成传感器。F-P传感器通过熔融石英光纤制作而成。FBG可以测量温度和应变,而光纤F-P传感器只对应变敏感,通过解调2个传感器的波长,结合传输矩阵可以实现温度和应变的同时测量。实验结果表明,FBG的温度和应变灵敏度分别为8.4 pm/℃和0.62μm/ε,F-P传感器的应变灵敏度为1.9μm/ε,线性度优于99%。该传感器具有结构简单,成本低,制作简便等特点,具有广阔的应用前景。

面向光纤与高Q值F-P谐振腔高效耦合的六维系统设计

基于法布里-珀罗(Fabry-Pérot,F-P)谐振腔的光学传感器具有结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点,在工业、生物医学、航空航天等领域具有较高的应用价值。设计了自聚焦透镜、单模尾纤插芯、玻璃套管组成的输入/输出光纤结构和一系列六维对准系统,高效降低了高Q值F-P腔与光纤的耦合难度,使F-P腔的Q值达到4.247×10^(7),为高灵敏度光学传感器的一体化、工业化制造奠定了基础。

用于油中局部放电检测的Fabry-Perot光纤超声传感技术

高压电气设备中局部放电(PD)的光学检测方法是具有多重优势的新型检测方法,它灵敏度高,不受电磁干扰(EMI)的影响,有着高强度的绝缘性能。为此,介绍了基于Fabry-Perot(F-P)干涉法的F-P光纤超声检测系统的特点和原理,制作了局部放电模型,并使用F-P光纤传感器与压电陶瓷(PZT)传感器进行了联合检测。试验验证了F-P光纤传感器检测的局部放电信号幅值与局部放电量的关系,并研究了不同检测角度下F-P光纤传感器检测的局部放电信号响应。结果表明:F-P光纤传感器可以有效地检测到局部放电信号,有较高的检测灵敏度;F-P光纤传感器检测的局部放电信号幅值与局部放电量在一定范围内有着正相关关系;该F-P光纤传感器能够检测到全角度的局部放电信号。因此,F-P光纤传感器可以很好地应用在高压电气设备的状态监测中。

MEMS F-P干涉型压力传感器

为了满足工业、航天、国防等领域对微型化压力传感器的需求，提出了基于微机电系统（MEMS，Micro electromechanical System）技术制作的非本征型光纤法布里-珀罗（F-P）压力传感器，该传感器传感头由全玻璃材料构成。主要研究了MEMS技术制作全玻璃结构式压力传感器工艺，结合溅射、光刻、腐蚀等工艺在7740 wafer基底上制作出F-P腔体，利用低压化学气相沉积（LPCVD）的方法在基底上沉积一层40 nm的非晶硅作为中间层。通过阳极键合技术在温度400℃下完成玻璃与玻璃的键合，并搭建了该传感器的压力测量平台。实验结果表明：在压力线性范围0-400 kPa内传感器具有很高的重复性，达到0.3%。灵敏度达到1.764 nm/kPa；在传感器使用范围0-80℃内，热敏感系数为0.15 nm/℃。该传感器的研究对设计制作改善了该类传感器的热膨胀失配问题，对低温漂型压力传感器的研究有一定参考价值。

高热稳定性测风Fabry-Perot干涉仪标准具的设计

针对星载测风Fabry-Perot(F-P)干涉仪的核心部件F-P标准具的热稳定性对测风精度的影响,从标准具结构设计角度(材料、形状和固定方式)分析了标准具的热稳定性,并给出最优设计方案。通过对光学元件结构尺寸的优化设计,得出了F-P标准具光学元件的最佳形状尺寸,即平板厚度为25mm,间隔元件的角度为40°。采用柔性结构固定方式,计算了F-P标准具机械结构的形状尺寸。最后基于有限元法,分析了光学组件和整个标准具的热变形。分析结果显示,当环境温度变化0.1℃时,光学组件平板中心间隔变化量为0.64nm,整个标准具平板中心间隔变化量为0.28nm,通光口径边缘处间隔变化量为0.2nm,相对于波长λ为630nm的气辉光谱线约为λ/2 250和λ/3 150,并且平板间隔变化量沿着径向向外逐渐减小。得到的结果显示,优化设计后的结构参数满足风速为5m/s时测量精度对热稳定性的要求,同时满足力学性能要求。

三通道Fabry-Perot标准具在瑞利测风激光雷达中的应用

描述了利用三通道Fabry-Perot(F-P)标准具作为鉴频器直接探测多普勒风场的原理。优化了三通道F-P标准具的设计参数。介绍了基于三通道F-P标准具研制的测风激光雷达接收机的结构。利用355 nm脉冲光,通过调节PZT电压来改变标准具的腔长,对标准具的透过率曲线进行了初步测量,并分析了标准具的参数,标准具的带宽和峰值透过率较设计时分别增大了13%和10%。介绍了利用四波束反演水平风场的方法。根据标准具参数和信噪比计算的速度灵敏度较设计时下降了0.09%,风速精度在40 km以下优于5 m/s。同时,与风廓线雷达进行了比对,对163组数据的风速差进行统计,平均值为0.22 m/s,标准差为1.67 m/s,表明两者有较高的一致性。

基于非对称F-P滤波器的光纤光栅解调技术

介绍了利用非对称光纤Fabry-Préot(F-P)腔作为边沿滤波器的光纤光栅波长移位检测方案。基于薄膜干涉理论对该非对称F-P腔的反射率响应关系进行计算与分析,得出该F-P腔的结构参数,改善了普通F-P腔的反射特性,具有线性范围宽和线性度好的优点。利用该F-P腔的某一线性滤波边缘,将传感光栅的波长信息转化为功率信息进行检测,可完成光纤光栅的传感波长解调。采用该检测方案进行了光纤光栅应变传感实验,实现了在7 nm范围内的波长线性解调,测量波长分辨率为0.01nm。

共焦球面F-P干涉仪测量液体折射率和浓度的实验研究

以单模石英光纤为传光介质,共焦球面F-P干涉仪为传感器件,面阵分体CCD摄像机为图像接收器件设计了一套液体折射率和浓度的测量系统,对不同浓度的酒精溶液进行了测量．实验结果表明,采用该系统可以探测到10-5量级的折射率变化量,和相应的溶液浓度变化精度也为1．0×10-5,相对于传统的折射率测量方法,这种测量系统调整方便,操作简单,能够用于液体折射率和浓度变化过程的在线测量．

采用F-P光纤环滤波器的窄线宽环形腔光纤激光器

提出了一种采用F-P光纤环滤波器的窄线宽环形腔激光器,该激光器采用环形腔结构,两个耦合比为30:70的耦合器和一段2 m长的未泵浦掺铒光纤构成F-P光纤环滤波器,F-P光纤环滤波器产生的梳状谱,可以增大激光模式之间的自由光谱范围(FSR),在一定程度上减小跳模现象的发生,有利于模式的稳定。研究表明,通过对掺铒光纤的优化和耦合器的选择可以提高F-P光纤环滤波器的精细度,而F-P光纤环中的未泵浦掺铒光纤起到饱和吸收体的作用,使输出激光的线宽得到有效压缩。将保偏光纤光栅和F-P光纤环滤波器共同应用于环形腔掺铒光纤激光器,在室温下得到了3 dB线宽均小于0.07 nm(实验室光谱仪最小分辨率)的窄线宽双波长输出。在2 h的观测时间内,最大峰值功率波动小于0.4 dB,具有良好的稳定性。

基于可调谐F-P滤波器的光纤光栅传感解调系统寻峰算法对比分析

设计出一种基于可调谐F-P滤波器的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感解调数据采集与处理系统。为了尽可能提高光纤光栅传感器的精度,分别采用质心法、三次样条插值法、最小二乘法、高斯多项式拟合法等对数据采集系统获取的原始信号数据进行光纤光栅波长寻峰算法研究,并分别将拟合结果与光谱仪测量波长数据进行比较。结果表明,高斯多项式拟合法精度和稳定性较好,且能满足实时性要求。

光纤磁流体F-P电磁场传感器

基于磁流体的可控折射率特性,以磁流体纳米功能材料为腔内介质,提出一种结构简单、无移动部件的新型光纤F-P电磁场传感器,实现了电磁场的测量。同时,给出了基于光纤光栅波长解调技术对光纤F-P滤波器输出波长进行解调检测的方法。分析了磁流体的可控折射率特性及其用于测量电磁场的原理,介绍了传感器系统的结构和原理。对所提出的方法以及影响测量结果的因素进行了初步的实验,结果表明,环境温度和磁流体薄膜厚度都会对测量结果有影响。在磁流体薄膜厚度为12.7μm时,测量特性具有较好的线性度。

多波长加权回归准确计算F-P标准具的间隔

漫射单色光经F-P标准具产生一组干涉圆环,对环直径平方与干涉级次的经典一阶方程加上二阶修正项,从修正后的准直线方程能够确定圆环中心干涉级次的小数部分。实验采用波长相近的两条汞黄线、氦黄线和氖黄线作为光源,同时获得经F-P标准具的四组干涉圆环。对圆环的点位坐标数据作圆回归求得直径值及其标准差,进而用新的准直线模型作加权回归求得各波长的小数干涉级次,评定其扩展不确定度。将3个波长(两条贡黄线,一条氦黄线)的测量结果用于小数重合法计算,从厚度粗测值选定间隔数值计算的取值范围,步距小于0.01 nm,求得间隔d=1 655.331 67±0.000 45μm,相对误差限约为3×10-7。再用第4个氖波长作检验,由d求出的干涉级次与实测值的相对偏差为1.9×10-7,显著小于干涉级次测量值的相对不确定度7.4×10-7。