陈雨森[1]2003年在《光纤法珀应变传感器的解调算法改进和复用技术研究》文中研究说明光纤法珀应变传感是80年代末发展起来的一种新型的应变测量技术，具有结构简单、温漂和时漂小等优点，非常适合于智能结构尤其是大型设施的长期在线应变监测，目前已经成为国外应变传感技术研究的重点之一。对于光纤法珀应变传感器系统，应变信息的解调算法是保证其测量结果准确的关键技术之一，而多传感器复用则能降低其应用的成本，是保证其大规模实际应用的关键所在。本课题对相位型光纤珐珀应变传感系统的解调算法和复用技术作了深入研究。 论文首先阐述了光纤法珀应变传感器的测量原理，分析了实际光源光谱的非均匀分布、波长量化和传感器输出信号中的噪声等对波长域的条纹峰值解调算法的应变测量结果的影响，深入分析了条纹峰值解调算法的局限性。 接着，将低精细度法珀传感器的干涉近似为双光束干涉，根据傅立叶变换的原理，提出了对传感器输出光强分布进行傅立叶变换、从频域直接求取腔长的方法；并讨论了在实际高斯分布光源的条件下，保证傅立叶变换不发生迭级现象对传感器腔长的限制条件。 分析了离散傅立叶(DFT)算法存在的栅栏效应及其对测量结果的影响，提出了通过数据补零和频谱数据高斯插值来降低栅栏效应影响、提高计算精度的方法；讨论了抽样密度变化对栅栏效应及计算精度的影响，并作了仿真计算。 针对实际光强信号在波长域均匀采样，而在频率域非均匀采样的特点，讨论了傅立叶变换的变形——离散腔长变换(DGT)算法。采用黄金分割快速搜索法减小计算量、提高计算速度。 然后，在光强函数的傅立叶变换域，讨论了传感器的复用问题。重点针对并联复用，分析了影响系统复用能力的叁个因素——传感器输出信号的频率分辨率、传感器的腔长变化范围和传感器腔长所能达到的最大值，得出了传感器复用的这几个关键参数与系统复用能力之间的关系。 最后，用光纤法珀应变传感系统对混凝土的膨胀系数、弹性模量等特性参数进行了测试；利用等强度梁，对峰值解调、DFT、DGT叁种算法进行了对比试验；针对传感器复用的特点，进行了叁类复用试验，证明了频分复用解调算法的可行性。
欧艺文[2]2016年在《基于频移干涉技术的光纤传感器大规模复用方法研究》文中认为光纤传感技术因具有灵敏度高、响应速度快、易于组网、抗电磁干扰强等优点已经广泛地应用于国民经济的各个领域。随着全球信息化和物联网技术的迅猛发展,传统的单点或准分布式光纤传感系统,已经越来越不适应大容量、长距离、低成本光纤传感复用系统的发展需求。因此,开发大规模光纤传感复用系统已显得尤为重要和迫切。时分复用、波分复用以及混合复用等技术是实现光纤传感器组网与扩容的有效方法,并且已在光纤传感复用系统技术中得到了广泛的应用,但这些传统的复用技术受限于系统信噪比、成本及带宽等问题,复用容量不高,难以实现光纤传感复用系统的大规模化发展。因此,研究基于新型光纤传感机制的大规模光纤传感复用系统具有十分重要的学术意义和实际应用价值。本文针对传统复用技术存在的复用容量低、成本高等问题,提出了基于频移干涉技术的大规模光纤传感复用系统的新方案,开展了基于频移干涉技术的光纤法珀传感器、光纤光栅传感器的大规模复用方法的研究,其主要研究及成果如下:(1)研究了基于频移干涉技术的大规模光纤法珀传感器的混联复用方法。针对这种复用方法的实现目标,设计了混联复用光纤法珀传感器复用系统的系统光路,开发了基于Labview的实时数据采集处理系统。由理论仿真结果表明:当光源功率为3mW、光纤法珀传感器的反射率为-30 dB、传感器间隔为40米时,两通道混联系统的复用容量理论上可达到573个。利用该技术,从实验上搭建了一个两通道混联复用光纤法珀传感系统,采用参考位置法解调得到了每个法珀传感器的反射谱,这与光谱仪测量的光谱吻合良好。研究结果证明该复用方案为实现光纤法珀传感器的大规模复用提供了一种低成本、有效的新技术。(2)提出了基于频移干涉技术的大规模全同光纤光栅复用与解调的新方法。针对该方法的特点,在线制备了适合大规模组网的弱光栅阵列,实验上复用了65个弱光栅,利用二次极大值搜索法从二维傅里叶变换谱中解调出了各个弱光栅的位置和峰值波长。通过系统重复性测试和温度传感实验,获得了弱光栅平均峰值波长的测量精度为±3.9 pm,对应的温度分辨率为±0.4℃。通过理论分析表明:当光源功率为14 mW、光栅反射率为最佳值-40 dB、传感器间隔为10米时,该解调系统的复用容量可达3000个。因此,频移干涉技术在实现大规模光纤光栅复用系统具有极大的应用价值和发展潜力。(3)研究了一种基于频移干涉技术的大规模波分复用光纤光栅传感复用系统。搭建了由121个传感单元组成、每单元波分复用3个不同工作波长弱光栅的大规模光纤光栅复用系统。利用改进的二次极大值搜索法,从二维傅里叶变换谱中成功解调出了363个弱光栅的位置和峰值波长。建立了温度传感测试实验平台,获得的温度分辨率为±0.4℃,与基于单一频移干涉技术的弱光栅复用系统的测试结果一致。基于当前实验参数,该系统的最大复用容量理论上可达3207个。研究结果表明该复用方案可以进一步提高复用容量和满足分布式测量需求,在实现大规模光纤传感网络方面具有更为广泛的应用前景。
王宁[3]2002年在《基于波形分析的光纤法珀应变仪在桥梁在变监测中的应用》文中进行了进一步梳理光纤法珀应变传感是80年代末随着光纤技术的发展而发展起来的一种新型的应变测量技术，其中非本征型光纤法珀传感器由于具有结构简单，温漂时漂小等优点，非常适合智能结构尤其是桥梁的长期在线应变监测，目前已经成为国外应变传感技术研究的重点之一。我国从90年代初就开始了法珀应变传感器的基础研究，但大多停留在实验室阶段，很少有实际工程应用的报道。这是因为要把光纤传感技术真正应用到结构的应变监测，不仅要对传感器基础理论进行研究，还需要对传感系统的稳定性、可靠性、以及传感器的埋入粘接工艺进行深入的研究。针对这些难题，本文在我室第一代便携式光纤法珀应变仪研究的基础上分别对光纤法珀应变传感系统解调算法、复用技术以及传感器的埋入粘接工艺展开了研究。并最终应用于实际桥梁的应变监测。本文首先阐述了桥梁应变监测的意义，介绍了应用于桥梁应变监测的光纤法珀应变传感器技术及其国内外研究的现状。分析了光纤法珀应变传感的基本原理和调制/解调方式，通过对几种解调方案的比较，选择了波形分析技术作为实际传感系统的解调方案。在光纤法珀应变传感系统解调算法的研究方面，本文在误差理论的基础上对光纤法珀应变传感系统的误差进行了分析，分别针对波长检测量化误差和宽带光源高斯包络对法珀传感系统的影响提出了提高系统精度的双峰算法和多峰算法。对应于常规的波长域解调算法，本文还介绍了一种腔长域解调的新方法，详细分析了该算法的特点和性质并进行了算法仿真。在传感系统复用技术研究方面，本文比较了几种法珀传感器的复用方式，考虑测量系统的难易程度和成本，选择了空分复用方式作为传感系统的复用方案，提出了腔长域解复用的新方法，并进行了串并联复用仿真。最后，为了验证光纤法珀传感系统的解调算法和复用技术并考验其在实际桥梁结构应变监测中的应用效果，本文利用研制的第二代光纤法珀应变仪分别进行了传感系统精度研究实验、传感器温度实验、混凝土标定实验、红槽坊公路立交桥应变监测、大佛寺长江大桥应变监测。
谢杰辉[4]2014年在《光纤法珀传感器波长解调及复用技术研究》文中研究表明基于白光干涉的非本征法布里珀罗干涉(EFPI)传感器,具有低频噪声低、可同时进行多参量传感、可实现绝对腔长测量等优点,引起了广泛的关注。传统的白光干涉解调方法,要求波长采样率足够高,且只能实现静态或准静态信号探测。本文研究的基于参数估计的两种波长解调法,可以在波长采用率较低的情况下实现高精度绝对腔长测量。利用低波长采样率、高扫描速率的光纤布拉格光栅分析仪和EFPI传感器,进行了液位、位移等准静态信号和动态声信号测量。实验验证了基于参数估计的变采样长度傅里叶变换法和互相关解调法,在实现低波长采样条件下的高精度绝对腔长测量的有效性。研究了时分与频分混合复用方法,可以有效提高系统复用能力。搭建了基于膜片式EFPI传感器的四基元时分频分混合复用系统,实现了高精度、低噪声的动态信号测量。本论文的主要研究成果和创新包括:(1)对影响EFPI传感器腔长解调的因素进行了详细的分析和分类,从光源和光谱探测两个方面对误差源进行定位。提出利用希尔伯特变换法和非线性能量算子实现光谱的去包络处理。通过改进窗函数的方法来提高系统的解调精度。(2)详细分析和推导了傅里叶变换法及互相关解调法的基础理论并进行了对比。通过仿真及实验验证的方法,对两种解调方法进行了深入的研究。提出了基于变采样长度的傅立叶变换法。实验结果表明,相比快速傅里叶变换算法,变采样长度傅里叶变换法的解调精度提高了70倍。在去除光谱包络的前提下,使用互相关解调法实现了~36.7pm的腔长解调精度。动态解调的结果表明,在小于400Hz的频带范围内,噪声功率谱较为平坦,其值约为-60dB re.nm/√Hz。(3)提出并搭建了光纤白光干涉EFPI时分频分混合复用系统。通过半导体光放大器实现了对光源的脉冲调制及光放大。在此基础上对频分复用串扰的原因进行分析,提出使用Kaiser窗进行串扰抑制。实验结果表明,该方法可以将系统的串扰从-37dB抑制到-48dB。(4)通过液位测量的方法对传感器的灵敏度进行了标定,测试得到EFPI传感器的灵敏度约为3nm/Pa。同时,由于系统对腔长的绝对测量,单个解调系统实现了静态绝对量和动态相对量双参量的同时高精度测量。
俞晓婧[5]2010年在《光纤微珐—珀与布拉格光栅加速度传感器的研究》文中认为自光纤传感器问世以来,由于其具有高可靠性、抗腐蚀、不受电磁干扰、复用能力强、传输损耗低、传输距离长等传统电传感器无法比拟的优点而备受科研人员的关注,成为近几十年发展最快的光纤无源器件。而在众多的光纤传感器中,应用于测量加速度的传感器在满足国家重大需求方面具有广阔的应用前景,如地震监测、重要设施安全监测、电力工业和石油勘探领域等。本文主要研究了两种重要的加速度传感器:一种是基于封闭型微光纤法-珀加速度传感器,另一种是基于喇曼放大的长距离FBG加速度传感器系统。前者满足了人们对于光纤法-珀传感器器件微型化、轻量化,耐高温能力、在易燃易爆等恶劣环境下工作等方面迫切的要求,而后者则在长距离和复用方面展示了极大的优势。具体完成的工作如下:I.对加速度传感器的测量原理和主要分类作了简要介绍,分析了目前一些典型的光纤加速度传感器的工作原理及各自的优缺点,提出了本文的主要研究内容﹑研究目标以及主要创新点,分析了光纤F-P传感器和光纤FBG传感器的传感原理,并简要介绍了两种传感器的信号解调方法。II.利用有限元分析法(ANSYS)仿真了特定参数的悬臂梁,对其进行了动力学模式分析及静力学应力分析,计算了该悬臂梁的固有频率,1g加速度作用下应变特性以及横向串扰,并计算了100g加速度作用下的悬臂梁的主应力和Von Mises应力分布。III.概述了157nm准分子激光微加工技术和基于该技术制作封闭型微光纤法珀传感器的工艺和流程。研究了该封闭型微光纤法-珀传感器在常温下的加速度应变特性。研究发现,这种新结构的光纤法-珀加速度传感器具有很好的分辨率,FFT信噪比为30dB,分辨率为1.13mg/Hz1/2。通过MUSIC算法处理信号,信噪比可提高到75dB,分辨率达到3.56 x 10-2μg/Hz1/2。而其对温度不灵敏的特性有助于其应用于高速公路、桥梁、大坝等大型建筑结构的健康监测中。Ⅳ.提出了一种基于喇曼放大的光纤光栅(FBG)环形激光器光纤长距离加速度传感系统,从喇曼散射的原理出发,阐述了该环形激光器的原理,并对该系统的性能进行了实验研究,同时也采用了MUSIC算法提高了系统信噪比。
参考文献：
[1]. 光纤法珀应变传感器的解调算法改进和复用技术研究[D]. 陈雨森. 重庆大学. 2003
[2]. 基于频移干涉技术的光纤传感器大规模复用方法研究[D]. 欧艺文. 武汉理工大学. 2016
[3]. 基于波形分析的光纤法珀应变仪在桥梁在变监测中的应用[D]. 王宁. 重庆大学. 2002
[4]. 光纤法珀传感器波长解调及复用技术研究[D]. 谢杰辉. 国防科学技术大学. 2014
[5]. 光纤微珐—珀与布拉格光栅加速度传感器的研究[D]. 俞晓婧. 电子科技大学. 2010