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光纤光栅振动传感信号解调技术的研究

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光纤光栅振动传感信号解调技术的研究3乔学光1,2,葛　朋133,贾振安1,傅海威1,邵　军1,刘颖刚1(1.西安石油大学,光电油气测井与检测教育部重点实验室,陕西西安710065;2.西北大学,陕西西安710069)

摘要:研究了一种基于掺Er超荧光光源(EDSFS)的滤波解调方法,分析了光源的输出功率谱形状。利用光谱中光功率密度与波长的线性关系,实现了光纤光栅传感信号的动态解调。建立振动测试系统,采用高精度差分变压器式位移传感器作为参考,对比讨论了两种传感器输出的时域波形和频谱。结果表明,在相同的条件下,

二者的动态响应特性具有很好的一致性。由于系统的光源和解调部分合为一体,无机械调谐元件,很适合高速动态测量。关键词:光纤传感;光纤光栅;信号解调;振动传感器中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:100520086(2009)0821004204

StudyondemodulationtechniqueforfibergratingvibrationsensorQIAOXue2guang1,2,GEPeng133,JIAZhen2an1,FUHai2wei1,SHAOJun1,LIUYing2gang1(1.KeyLaboratoryofPhotoelectricityGas2oilLoggingandDetectingofEMC,Xi′anPetroleumUniversity,Xi′an

710065,China;2.NorthwestUniversity,Xi′an,710069,China)

Abstract:Amethodforfilterdemodulationbasedonerbium2dopedsuperfluorescentfibersource(EDSFS)isstudied,andthepowerspectrumshapeofsourceisanalyzed.Utilizinglinearrelationbetweenthelightpowerdensityandwavelengthinthespectra,dynamicdemodulationoffibergratingsensingsignalisre2alized.Thevibrationmeasurementsystemisbuiltbyusinghigh2precisiondifferentialtransformerdis2placementsensorsasareference,thetime2domainwaveformandspectrumbytwosensorsoutputarecomparedanddiscussed.Theresultsshowthatthedynamicresponseoftwosensorshaveaverygoodconsistencyunderthesameconditions.Becausethesourceanddemodulationarecombinedintoonepart,thereisnomechanicaltuningelements,Sothemethodissuitableforhigh2speeddynamicmeasurements.Keywords:fibersensing;fibergrating;signaldemodulation;vibrationsensor

1　引　言 随着光纤光栅传感理论研究的不断完善,利用光纤光栅的波长量对应变、温度的线性响应特性,形成了多种类别的光纤光栅传感器,已广泛应用于应变、温度、压力、电流和化学成分等[1～3]多种物理量的测量,大大拓宽了光纤光栅的传感应用范围。振动是自然界存在的普遍现象,振动传感器在结构工程、机电设备、地震监测和石油勘探等领域具有非常广泛的应用[4],由于工作的环境恶劣、电磁干扰能力强等特点阻碍了传

统电类振动传感器的使用。光纤光栅对振动的测量灵敏度很高、响应速度快和动态范围大,而且具有抗电磁干扰和准分布传感等优点,非常适合于振动检测。近年,光纤光栅振动传感的研究引起了人们很大的兴趣[5,6],并取得了良好的结果。

在光纤光栅传感器实用化的道路中,波长解调技术是传感系统的关键部分,即如何检测布拉格光栅波长的移动,为此提出了多种检测方案。目前,常用的动态检测方法中“静态匹配光栅法”[4]的动态范围非常小;“干涉法”[7]结构复杂,易受外界

环境干扰;“光栅色散法”[8]对封装的可靠性、色散光栅的质量和探测器的分辨率要求较高,使成本增加,限制了它的应用。本文阐述了一种基于掺Er超荧光光源(EDSFS)的滤波解调方法,其中EDSFS既作为整个传感系统的光源,又作为斜边滤波器,通过调节光源参数,提高了波长检测灵敏度,实现了高灵敏度、响应速度快和动态范围大的光纤光栅传感信息检测。

2　解调原理 解调原理来源于边沿滤波法的基本思想[9],即利用具有线

性边沿的滤波器,将光纤布拉格光栅以波长编码的传感信息转化为强度信号的变化。 若光源输出的光功率谱不平坦,在一定波长范围内光功率密度和波长是线性关系,这一关系在一定温度变化范围内是基本不变的,利用这一特点可以实现解调功能[10]。使用自己研制的ASEⅡ2C202型EDSFS,采用AnritsuMS9710C多功能光谱

光电子・激光第20卷第8期　2009年8月 JournalofOptoelectronics・Laser Vol.20No.8　Aug.2009

3 收稿日期:2008212223　修订日期:20092022

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　3　基金项目:国家自然科学基金资助项目(60654001);国家“863”计划资助项目(2007AA03Z413);西安市重大技术创新资助项目(GG06004)　33E2mail:gepeng100432@gmail.com仪(最小分辨率为0.05nm,测量范围为600～1750nm)对光源进行光谱分析,从图1可知,在1530nm附近出现一个较为明显的峰值,且峰值两侧附近各具有一定范围的线性区。若FBG的中心波长在此线性范围内,则其反射光强与中心波长成线性变化关系。图1　光源输出功率谱Fig.1　Spectradiagramofmeasuredoutputpower 设光源功率谱密度P与波长λ的线性关系为 P(λ)=Aλ+B(1)式中,A、B为光源对应线性段的斜率和截距,一般为常数。为了减少问题的复杂性,光纤布拉格光栅(FBG)的反射谱近似表示为高斯分布,即 R(λ,λB)=R0exp[-4ln2(λ-λBΔλB)2](2)式中:R0为传感光纤光栅的峰值反射率;λB为中心波长;ΔλB为半强度带宽。当宽带光源发出的光进入到传感光栅时,其反射光强为 I(λB)=∫+∞-∞p(λ)R(λB-λ)dλ(3)若p(λ)近似为线性函数,且R(λ,λB)的光谱线宽远小于该线性波长范围,则I(λB)也可以近似为线性函数,利用定积分公式∫+∞-∞e-ax2dx=πa,化简后可得 I(λB)=p(λB)∫+∞-∞R(λB-λ)dλ=BR0π(ΔλB)24ln2+AR0λBπ(ΔλB)24ln2(4)由式(4)可知,FBG的反射光功率I(λB)将随其中心波长λB变化而变化,且两者的关系是线性的。当FBG受到外界扰动时,其中心波长的漂移量Δλ与反射光强的变化量ΔI的关系也是线性的,定义波长检测灵敏度K为输出光功率曲线的微分,即 K=dIdλB=AR0π(ΔλB)24ln2(5)因此,ΔI和Δλ的关系可以表示为 ΔI=KΔλ(6) 这样,波长的变化量将转化为光功率的变化量,经光电二极管接收并被运算放大器放大后,其输出电压也将随之线性变化,通过测量输出电压获得光输出功率,即可解调光纤光栅中心波长的变化。另外,从式(5)可以看出,在选定合适的FBG后,即R0、ΔλB一定,改变光源的线性段斜率

A,使其功率线性变化率高,可以提高波长检测的灵敏度。 图2为调节光源参数后,得到的功率谱密度曲线图,对光谱仪测得数据进行线性拟合,如图3所示,在峰值左侧1526～1528nm和右侧1531.5～1534.0nm两个线性段处,拟合度均为0.9994,线性度非常好,而且后者比前者线性段的波长检测灵敏度高,因此选用1531.5～1534nm进行波长解调。通过与图1比较可知,调节参数后的线性段斜率A增大了4.6倍,即波长检测灵敏度提高了4.6倍。

图2　调节参数后的功率谱图Fig.2　Powerspectradiagramafteradjustingparameters

图3　调节参数后的光谱拟合曲线Fig.3　Spectralfittingcurveafteradjustingparameters

3　实验系统与结果分析

3.1　实验系统 如图4为基于EDSFS解调的光纤光栅传感系统实验原理图,其中EDSFS既作为整个传感系统的光源,又作为斜边滤波器。由宽带光源发出的光经环形器入射到振动传感光栅后,反射回来的窄带信号光,经光电探测器、信号调理电路和数据采集卡后,送到计算机进行处理并显示实验结果。图中IMG为折射率匹配液,用于减少光纤的端面反射。光纤光栅振动传感器有两种常用结构,即谐振子式[11]和悬臂梁式[12],由于前者结

构设计较为复杂,因此选取后者制作振动传感器,进行结构优化设计,以提高传感器的灵敏度。将悬臂梁一端固定在基座上,另一端放有质量块,传感光栅粘贴于等强度梁的中轴线上,

且靠近固定端附近。由文献[12]可知,此振动传感器是利用光纤光栅的应变传感机理间接测量加速度物理量,最终的数学模型表达式为・5001・

第8期　乔学光等:光纤光栅振动传感信号解调技术的研究

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布拉格与长周期光纤光栅及其传感特性研究

布拉格与长周期光纤光栅及其传感特性研究

布拉格与长周期光纤光栅及其传感特性研究随着科技的发展，光纤传感技术在各个领域中得到了广泛应用。

光纤光栅作为一种重要的光纤传感元件，具有较好的实时性、远距离传输能力和高灵敏度等优点，在医学、工程、环境监测等领域中具有广泛的应用前景。

本文将对布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅及其传感特性进行研究探讨。

首先，我们来了解布拉格光纤光栅。

布拉格光纤光栅由一种周期性的折射率变化构成，可以将输入的连续光信号分成几个离散的波长成分。

通过调控光纤光栅的参数，如折射率调制和周期调制，可以实现对光信号的各种参数的测量。

布拉格光纤光栅传感器的工作原理是利用光纤光栅对周围环境参数的敏感性，通过监测光纤中散射光的强度变化来获得环境参数的相关信息。

布拉格光纤光栅的传感特性主要包括灵敏度、选择性和可靠性。

灵敏度是指传感器对测量目标的响应能力，通过优化光纤光栅结构可以提高传感器的灵敏度。

选择性是指传感器对目标参数的独立测量能力，通过优化光纤光栅的周期和谐振峰可以实现对不同目标参数的选择性测量。

可靠性是指传感器的稳定性和重复性，通过合理选择光纤材料和加工工艺可以提高传感器的可靠性。

接下来，我们来了解长周期光纤光栅。

长周期光纤光栅是一种周期大于波长的光纤光栅，其中周期通常为微米或毫米量级。

长周期光纤光栅的传感特性与布拉格光纤光栅有所不同。

长周期光纤光栅主要应用于抑制或增强特定频率的光信号，具有压力、温度和湿度等参数的敏感性。

长周期光纤光栅的传感特性主要包括增强系数、复合增强系数和等效折射率。

通过调节长周期光纤光栅的参数，如周期、长度和材料等，可以实现对光信号的不同频率成分的调制和增强或抑制。

最后，我们来探讨布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅在传感领域的应用。

布拉格光纤光栅主要应用于光纤传感器、光纤通信和光纤激光等领域。

在光纤传感器领域，布拉格光纤光栅可以实现对温度、压力、应变、湿度等参数的实时测量。

在光纤通信领域，布拉格光纤光栅可以实现光纤传感器的远距离传输和分布式传感。

光纤光栅解调仪工作原理

光纤光栅解调仪工作原理

光纤光栅解调仪工作原理
光纤光栅解调仪是一种用于光纤传感的解调仪器，它主要由光栅、显
微镜以及光电检测器等部分组成。

下面将介绍光纤光栅解调仪的工作
原理。

在光纤光栅解调仪中，通过发送光信号到光栅，由光栅将光信号反射
至传感区域，之后传感区域发生透射或反射，光信号返回光栅处发生
干涉现象。

同时，测量系统在光栅处对干涉信号进行分析处理，解析
出光信号经过传感区域后所产生的改变。

最后，将解析后的信号通过
光电检测器转化为电信号进行记录和显示。

光栅是光纤光栅解调仪的核心部分，它是一种具有很小的相位差的周
期性结构。

通过将光纤光栅处的光信号反射到传感区域，在返回时经
过光栅时会产生干涉，从而实现对传感区域中光信号的解调。

光电检测器是光纤光栅解调仪中另一个重要部分，它负责将解析后的
干涉信号转化为电信号。

光电检测器采用光电转换器件，将干涉信号
转化为电信号，这个电信号可以被显微镜观察到，然后被记录和显示。

显微镜是用来观察干涉信号的，它可以将解调后的干涉信号通过透镜
或物镜放大，使我们能够更清晰地观察干涉信号的动态变化。

综上所述，光纤光栅解调仪通过干涉现象实现对光信号的解调，这使得它在光纤传感和光通信领域有着广泛的应用。

在实际应用中，需要根据不同的应用场景选择不同的解调仪器，以达到最佳的效果。

光缆光纤振动解决方案(3篇)

光缆光纤振动解决方案(3篇)

第1篇一、引言随着通信技术的飞速发展，光纤通信已成为当今世界通信领域的主流技术。

光缆作为光纤通信的传输介质，其安全性、可靠性直接影响着通信系统的稳定运行。

然而，在实际应用中，光缆光纤易受到振动的影响，导致光纤性能下降，甚至发生断裂，给通信系统带来严重损失。

因此，研究光缆光纤振动解决方案具有重要意义。

二、光缆光纤振动原因分析1. 自然因素：地震、台风、洪水等自然灾害会对光缆光纤造成振动。

2. 人类活动：建筑施工、交通运输、风力发电等人类活动会对光缆光纤产生振动。

3. 光缆自身因素：光缆材料、结构设计、施工质量等都会影响光缆光纤的振动。

4. 电磁干扰：电磁干扰会对光缆光纤产生振动，导致信号衰减。

三、光缆光纤振动解决方案1. 光缆结构设计优化（1）采用高强度材料：选用高强度、高模量材料制作光缆，提高光缆的抗震性能。

（2）合理设计光缆结构：优化光缆结构，提高光缆的抗振性能。

如采用分束式结构，将光纤分散布置，降低光缆整体振动。

（3）增加防护层：在光缆外层增加防护层，如钢丝铠装、铝塑复合等，提高光缆的抗振能力。

2. 施工质量控制（1）严格按照施工规范进行施工：确保光缆敷设过程中，光缆与地面、建筑物等保持一定距离，避免受到振动影响。

（2）提高施工质量：严格控制光缆施工过程中的接续质量，确保光纤性能不受影响。

3. 电磁干扰抑制（1）采用屏蔽光缆：在光缆外层增加屏蔽层，降低电磁干扰。

（2）采用滤波器：在光缆两端安装滤波器，抑制电磁干扰。

4. 光缆光纤振动监测与预警（1）光缆光纤振动监测：采用光纤振动传感器，实时监测光缆光纤的振动情况。

（2）振动预警系统：当监测到光缆光纤振动超过设定阈值时，系统自动发出预警信号，提醒相关人员采取相应措施。

5. 自然灾害防护（1）光缆敷设：在光缆敷设过程中，避开易发生自然灾害的区域。

（2）加固措施：在易发生自然灾害的区域，采取加固措施，如采用抗地震光缆、抗风光缆等。

6. 人类活动影响降低（1）合理规划：在规划光缆敷设路径时，尽量避开交通要道、施工区域等。

光纤光栅解调仪电路原理

光纤光栅解调仪电路原理

光纤光栅解调仪电路原理
光纤光栅解调仪电路原理简介：
光纤光栅解调仪是一种利用光纤光栅进行传感和测量的装置，它通过对光纤光栅中反射光的监测和处理，实现对物理量的测量和控制。

其核心部件为解调电路，它能够将光栅中反射光的信号转换为电信号，并进行处理，得出要测量的物理量的信息。

光纤光栅解调仪电路原理：
解调电路是光纤光栅解调仪中最为关键的部分，它的主要功能是将由光纤光栅反射回来的光信号转换成电信号，然后进行信号处理。

光纤光栅解调电路的主要原理如下：
1. 信号检测。

光纤光栅中反射回来的光信号，由光电探测器（PD）转换为电信号，电信号经过放大电路（LNA）进行放
大和滤波，提高信号质量和可靠性，去除杂音和干扰；
2. 信号解调。

解调电路可以将被调制的信号分离成两个部分，即参考信号和调制信息。

通过平衡电路（Balun）以及锁相放
大器（PLL）实现参考信号的产生、提取和输出；
3. 信号处理。

经过信号解调后，得到的信号按照一定的算法进行处理，提取出要测量的物理量的信息，例如温度、压力、应力等。

光纤光栅解调电路完整的电路结构一般由以下几部分构成：前
置放大器、滤波器、平衡电路、锁相放大器和信号处理器等。

不同的应用场合和不同的测量目标，会有不同的电路设计和参数选择。