基于最小二乘法的光纤法布里-珀罗传感器相位校正解调算法

为了提高光纤法布里—珀罗传感器的解调精度和效率,利用干涉光谱中的波峰计算出一系列光程差,根据最小二乘法求出该组光程差中方差最小的解作为粗略解调结果,并计算出光谱附加相位;在光谱附加相位基础上进行校正,得到补偿光程差,两者之和为最终解调结果.仿真结果表明,该算法的解调误差在±2.5nm内.光纤法布里-珀罗蓝宝石高温传感实验表明,从室温升到1000℃时,该算法解调光程差精度为5.4nm,对应温度的精度为±0.36‰F.S.,同等条件下计算速度比FFT-MMSE快400倍,具有计算精度高,计算速度快的优点.

光纤法布里-珀罗传感器的条纹计数法解调误差研究

为探究光纤法布里-珀罗传感器条纹计数法的解调准确度,对基于波峰波谷复合算法的条纹计数法的腔长解调误差及其影响因素进行了理论推导、仿真分析和实验验证.结果表明:光纤法布里-珀罗传感器干涉光谱的干涉级次及干涉级次差、波峰波谷的位置准确度是影响解调准确度的主要因素;干涉级次随腔长的变化导致腔长解调结果产生周期性跳动误差,跳动周期约为光源中心波长的1/4;周期性跳动误差的幅度受波峰波谷位置准确度的影响,波峰波谷位置准确度越低,周期性跳动误差幅度越大,腔长解调误差越大.

光纤法布里-珀罗传感器腔长的傅里叶变换解调原理研究

在宽带光源条件下对光纤法布里珀罗传感器腔长的傅里叶变换解调原理进行了详细的理论推导,在此基础上给出了具体的实现算法和仿真对比实验.仿真结果表明采用傅里叶变换可以有效地对光纤法布里珀罗传感器进行腔长解调.

外置油腔耦合局放超声非本征光纤法布里-珀罗传感器

为解决非本征光纤法布里-珀罗(Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometor,EFPI)在电力变压器内体绝缘安装困难且易损坏的问题,设计了高灵敏度的EFPI传感器,提出采用油腔结构的变压器油箱壁外置式安装方法。在阐述EFPI传感和液气介质下膜片振动原理的基础上,分析了传感器检测灵敏度与其法-珀腔膜片尺寸的关系,设计EFPI传感器法-珀腔膜片尺寸并制备传感器。然后,设计外置油腔耦合结构,采用压电陶瓷(Piezoelectric,PZT)声发射传感器构建EFPI传感器性能测试系统,测得EFPI传感器的幅频特性和检测灵敏度。最后,使用板-板电极和变压器实体模型搭建局放检测系统,外置EFPI传感器与PZT传感器同时探测电极局放信号。实验结果表明EFPI传感器的一阶固有谐振频率为113 kHz,静压灵敏度为7.5 nm/kPa,外置油腔耦合结构EFPI传感器局放超声信号的检测灵敏度高于传统的PZT传感器。外置结构可有效保护传感器膜片,降低安装难度,且避免了EFPI传感器置于变压器绝缘高场强度区域带来的安全隐患。

芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究

提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.

纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的温度特性

在对薄膜材料热光效应和热膨胀特性研究的基础上,综合运用光学薄膜法布里-珀罗腔(Fabry-Perot)干涉理论,采用MATLAB编程设计了纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的仿真分析程序,模拟了薄膜型光纤法布里-珀罗传感探头反射光谱随温度变化的波长漂移特性,分析了不同材料热光效应和热膨胀特性对温度特性的影响权重,并进行了实验验证。验证结果表明,传感探头测试光谱的温度变化特性与仿真特性一致,纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的理论仿真可用于选择纳米薄膜材料及筛选温度敏感且镀制容差大的膜系,对传感探头的研制具有指导意义。

用于灵巧结构的光纤法布里-珀罗传感器

简要介绍用于灵巧结构的各类光纤法布里-珀罗传感器的制作技术、系统结构及其在灵巧结构中的应用。

光纤法布里-珀罗传感器幅值归一化-最小均方差联合解调算法

面向光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调,提出一种结合幅值归一化与最小均方差的联合解调算法.采用幅值归一化实现返回光谱信号与模拟光谱信号的等幅,提高解调精度.仿真结果表明,相较于传统最小方差法,该算法的解调精度显著提升.实验结果表明,采用该算法可实现优于0.72nm的高分辨率.

光纤法布里-珀罗传感器的解调方法研究综述

光纤法布里-珀罗传感器以灵敏度高、抗干扰能力强等优点在医疗检测、水声探测、电力监测等领域受到了广泛的关注。光源参数、传感头结构与解调方法是制约光纤法布里-珀罗传感器检测能力的主要因素。对光纤法布里-珀罗传感器解调,即从携带法布里-珀罗传感器腔长信息的输出光信号中提取腔长信息。该腔长信息映射出了传感头所感受到的振动、位移、加速度、温度等待测量信息。一种好的解调方法能够提高光纤法布里珀罗传感器的解调速度、分辨率、动态范围等性能,而光纤法布里-珀罗传感器的解调方法多达数十种,针对特定的应用场景如何选择适宜的解调方法往往令人困扰。本文首先介绍了光纤法布里-珀罗传感器的输出信号特征,然后从原理上详述了常见解调方法的影响因素,并介绍了国内外研究单位提出的多种改进方法,最后从解调方法的适用范围及光纤法布里-珀罗传感器的复用技术两方面出发,提出了解调方法的选取原则。

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。

光纤法布里-珀罗传感器的模式分析

利用模式理论分析白光光源条件下的光纤法布里-珀罗传感器的干涉谱的相位变化,推导得到反射光波在法珀腔内传播时由光程差(即两倍法珀腔腔长)和进入导入光纤时的模式耦合引起的相位变化对干涉谱的影响,并且用模式理论的方法分析了传感器法珀腔两个端面未完全平行时对其干涉谱的影响。

基于光学相关的光纤法布里-珀罗传感器解调仪

针对当前光纤法布里-珀罗(F-P)传感器解调仪存在的结构复杂和成本较高等问题,提出一种基于光学相关原理的新型解调方案.采用平板玻璃作为光学互相关器,利用平板玻璃与F-P腔的互相关关系解调出光纤F-P传感器的腔长.建立仿真模型对解调光路进行优化设计,搭建了结构简单的单模光纤F-P传感器解调仪,该仪器仅由宽谱光源、平板玻璃、线阵CCD、柱面镜和单模光纤搭建而成.实验结果表明,腔长解调分辨率达到0.72 nm.该解调仪在光纤测井、液位测量和结构健康监测等领域中的温度、压力和位移测量中有着广阔的应用前景.

光纤法布里-珀罗传感器及其高温应用

随着航天技术不断发展,大推力运载火箭等精细化设计需求日益增加,飞行器高温工况结构及流场状态感知已成为当前研究的关键环节。基于法布里-珀罗干涉结构的光纤传感器在高温、高压、狭小空间等特殊环境展现出独特优势,被视为下一代高温原位测量工具。介绍了法布里-珀罗传感器的基本结构及原理,并分别从温度、应变和压力监测方面介绍了法布里-珀罗高温传感技术研究进展以及未来的发展趋势。基于石英光纤的法布里-珀罗传感器能够应用于1000℃以下环境,对于1000℃以上环境,需要以蓝宝石光纤作为敏感元件和传光介质。

基于硅MEMS技术的高灵敏度微型光纤法布里-珀罗压力传感器

基于微机电系统技术设计制备了一种微型化光纤法布里-珀罗传感器,具备高灵敏度和可批量制造的特点。传感器内部的法珀腔由刻蚀后的SOI晶圆与BF33玻璃阳极键合而成,传感器敏感膜片采用了绝缘衬底上的单晶硅材料。采用激光精细切割技术对传感器单元进行独立分离,使得单个传感器的整体外径仅为400μm,高度为220μm。在此基础上,搭建了信号解调实验平台,并对传感器的感压特性进行了详尽测试。测试结果显示,在0~50 kPa的压力范围内,传感器的压力灵敏度可达到18.5 nm/kPa,最大非线性度为0.47%,重复性为0.18%,迟滞为0.18%。此外,该传感器具有体积小、灵敏度高、电磁兼容、生物兼容以及稳定性强等优点,在生物医学和医疗领域具备巨大的商业转化价值。

基于膜片式光纤法布里-珀罗传感器的超声波检测

为了研究光纤传感器在超声波检测方面的应用,提出了一种膜片式光纤法布里-珀罗(F-P)传感器的结构和制备方法。首先探究了声场中放置距离和角度对膜片式光纤F-P超声传感器的声振动敏感膜片形变量的影响,仿真得到光纤F-P传感器的传感效果随距离、角度的增加而下降,然后提出了一种基于熔接、切割、抛磨方式制备的膜片式光纤F-P超声传感器,最后对该传感器的传感性能进行了实验验证。实验结果显示,提出的传感器的频率探测范围为20~80 kHz,信噪比不小于25 dB。此传感器的制备使用全焊接方式,与传统的胶连接方式相比,结构更稳定,使用寿命更长,因此在电网局部放电检测等场景中具有广泛的应用前景。

光纤法布里-珀罗传感器阵列串扰抑制方法

本文提出了一种基于多波长平均的五步相移解调方案,解决非本征光纤法布里-珀罗(F-P)传感器阵列的串扰问题。以光纤F-P传感器的两基元并联复用系统为研究对象,探讨了基于五步相移解调方案的基本串扰理论以及多波长解调抑制串扰的具体方法。通过数值仿真研究了串扰与传感系统的消光比、平均波长数、波长间隔以及不同传感器基元腔长的关系,对单波长解调方案和多波长解调方案的串扰抑制效果进行了对比分析。结果表明,相较于单波长解调方案,多波长解调方案通过对多个连续工作点处的五步相移信号解调结果进行平均,降低了传感阵列的串扰。同时,该解调方案降低了对传感阵列光开关消光比和不同基元间腔长一致性的要求,有效推进了光纤F-P传感器阵列大规模复用的发展。

基于银膜的自准直光纤法布里-珀罗腔设计及声源定位研究

提出一种基于银膜的自准直外腔式光纤法布里-珀罗(EFPI)干涉仪声传感器阵列,用于中低频声信号的检测以及二维平面声源定位。传感器阵列由三个相同结构的EFPI组成,结构简单、制作简便。银膜的应用和准直器的引入提高了传感器的声压灵敏度,扩大了声源定位范围。实验结果表明:单个传感器声压灵敏度为185 mV/Pa,最小可探测声压为52.7μPa/Hz^(1/2)@500 Hz。在声源指向性实验中,声源设置在传感器正前方时,其声压灵敏度达到185 mV/Pa,声源设置在传感器侧面(90°,270°)时,其声压灵敏度衰减仅为4.5%。传感器阵列结合到达时间差技术,成功实现高精度的声源定位,系统的理论空间分辨率为0.71 cm,最大定位误差不超过2.8 cm,定位范围为200 cm×200 cm,具有成本低、实用性高等优点。

基于光纤法布里-珀罗干涉仪的高灵敏微压传感技术研究

光纤传感器在电池安全监测领域的应用日益增多。针对储能电池内部气压变化微小难以测量的问题,基于光纤法布里-珀罗(Fabry-Pérot,FP)腔体端面镀膜的结构模型,研讨了膜厚、有效半径和腔长之间的关系,深入探究了三者之间的相互制约及理论基础,设计了一种小型化、高灵敏度和高精度的光纤微压传感器。制备了气压灵敏度-239.836 nm/MPa、线性度0.998的微压传感器,其在100 kPa压强范围内表现出良好的线性和稳定性。该传感器结构紧凑、制作简单且成本低,具备较高的灵敏度和优异的压强响应特性。

光纤法布里-珀罗传感器偏振互相关解调系统的复消色差光路设计

光纤法布里-珀罗(F-P)传感器被广泛应用于航空发动机的检测中。偏振互相关解调法是最常用的F-P腔长解调方法。在偏振互相关解调系统中,光学系统的轴向色差会引起零级干涉条纹的偏移和光强的减小,从而降低解调精度并减小信号幅值,因此分析了光学系统的轴向色差对解调的影响。为了减小光学系统的轴向色差对解调的影响,设计了一种应用于偏振互相关解调仪的复消色差光学系统。该光学系统在光楔长度方向上的轴向色差为1.9×10^(-4) m^(-1),最大光程差为0.021λ_0(λ_0为中心波长),光程差远小于F-P腔长。对于特定的解调系统,采用复消色差光路时,零级干涉条纹的测量值偏移量为2.85μm,小于CCD像素宽度的一半,并且CCD任意像素的光照度提高了3.75倍。

亚波长光栅与法布里-珀罗滤光片集成的高性能光谱偏振分光器

光谱偏振成像技术是一种新型的光学成像技术,它不仅提高了目标的信息获取量,还降低了背景噪声,可以捕获目标细节,检测伪装目标。本文提出了一种将亚波长光栅与F-P滤光片相结合的光谱偏振测量器件,该器件可以获得超高光谱分辨率和偏振消光比,并且光谱和偏振可以灵活调控。本文设计了一种光谱偏振同时分光器,可同时获得4个光谱通道的斯托克斯参数。仿真结果表明,其光谱分辨率为217,偏振消光比为106。实验结果表明,亚波长光栅的偏振消光比大于500,透射率为90%。全介质F-P滤光片的光谱分辨率为30,在长波红外波段的透射率为60%。该设计方法具有通用性,可用于可见光、红外甚至太赫兹等波段。得益于这些优点,器件在微型偏振光谱仪和全斯托克斯偏振检测等领域有很大的应用潜力。