光纤光栅传感技术动态解调方法及其应用ppt课件.ppt

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1、光纤光栅传感技术动态解调方法及其应用徐宁导师：赵洪本课题在对光纤光栅传感技术进行了广泛深入分析的基础上，提出了三种FBG的强度动态解调方法，进行了系统的研究。并利用了其中的一种动态解调方法，实现了以超磁致伸缩材料调谐光纤光栅的电流传感解调。所做的工作主要有以下几个方面：1.对动态解调方法进行了理论研究，分析了利用双FBG作为滤波器进行FBG传感动态解调；利用CWDM边缘谱特性进行FBG传感动态解调；以及非平坦化的放大自发辐射宽带光源ASE光源谱的单调区间用于FBG传感动态解调方法。2.按照上述三种方法构建了FBG动态解调传感

2、系统，建立数学模型，推导出相应的理论表达式。基于系统中的元器件实际参数用Matlab进行数值模拟，分析计算机模拟结果与理论分析的一致性。3.利用超磁致伸缩材料棒做变换器构造了FBG交流传感头，与ASE光源共同组成交流电流传感实验系统，进行了交流电流测量，对FBG传感动态解调方法进行实验验证。动态解调意义近十几年来，光纤光栅以其造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰等优良性能，被广泛应用于光纤通信和光纤传感等各领域。光纤光栅传感技术己开始向成熟阶段接近，目前对于光纤光栅传感的研究主要致力于实用和廉价解调系统的研究。很多实用的解调

3、方法被提出，如可调谐光纤法布里－珀罗滤波法凭借灵敏度高、稳定性好、调谐范围宽等优势在静态和准静态信号的测量应用中有很广阔的前景。然而，到目前为止，还没有一种解调方案能同时满足高分辨率、动态与静态参量结合测量、多点复用检测且成本不高的实用化要求。特别是对于高频宽带信号的检测，还没有比较成熟的解调方法。朝着这个目标，动态解调技术的实用化研究工作仍在继续开展着，寻找一种适合的动态解调方法成为当前光纤光栅解调领域的迫切需要。光纤传感系统通常由光源、信号传输线（光缆）、传感器件、光电转换及信号处理四部分组成，如图所示现在光纤传感器的种

4、类繁多，光信号中能被调制的参数也相当多，包括光的强度、相位、偏振态、波长等。光纤光栅传感原理纤芯折射率的周期性变化会对通过的宽带光选择性地反射一窄带光，所反射的窄带光的中心波长由纤芯折射率变化的周期和变化的大小来决定，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器和反射镜，如图所示。当满足Bragg条件时，波长为λB的光功率耦合到向后传输波中，在反射谱中形成λB的峰值，在透射谱中形成λB处的凹陷，如图所示。Pe在一般硅纤介质中约为0.22，则对于应力的变化，有/℃——光纤的热膨胀系数，——热光系数，硅纤中对于温度的

5、变化，有时可算出光纤Bragg光栅测量温度的灵敏度为大约13pm/℃。分布式测量解调方法光谱分析法作为最基本的测量方法，其基本原理是：将传感探头的输出光经光纤送至分光计，由CCD探测器检测不同波长光的光强分布，一旦光波长偏移，光强分布即发生变动，通过观察光谱仪和计算分析即可算出相应的波长偏移量和它所对应的被测量的变化。窄带激光扫描系统可调谐窄带激光器扫描法窄带激光激射法1.锁模调制法当调节频率满足（L为反射镜与某个FBG构成的腔长）时，激光模式锁定，才形成强烈的激光脉冲，据此来寻址不同的FBG。2.环形腔激射法1.匹配FBG

6、滤波解调法宽带光源配合窄带滤波扫描系统2.可调谐光纤F-P滤波器解调法1.线性边带滤波法参量转化解调系统2.光栅色散强度调制型双光栅解调示意图强度调制型双光栅解调原理设光纤光栅FBGB、FBG1的反射谱分布为设光纤光栅反射谱的线型为高斯分布即光电探测器PD1接收到的光功率进入光检测器PD1的信号谱函数为，进入光检测器的信号光功率为对上式在频域的积分对上式微分得探测光路1的灵敏度即当传感光栅与解调光栅中心波长间隔为变化率最大，此处即为动态解调灵敏度最大处。消除了光源的波动及光路损耗产生的影响。与传感光栅中心波长成线性关系，得到

7、它即可求得传感光栅布拉格波长。利用Matlab数据处理工具箱里的相关算子进行运算，并把值转换成对应的波长偏移。得到两通道之一接收到的光强以及其探测灵敏度与波长间隔之间的关系曲线如图所示FBG的中心波长为1538.75nm、半高全宽0.159nm；CWDM1的中心波长是1550nm、CWDM2中心波长取1530nm。根据离散数据相关理论，对于CWDM1（或CWDM2）到达探测器的光功率由于已知FBG和CWDM的反射率数据的波长间隔不同，在实际进行相关运算的时候需要首先对两组数据分别进行一维插值运算。由于现有的数据精度已经较高，

8、所以采用线性插值法即可。并且将m转换成波长坐标，最终可以得到如图所示的响应曲线。2.CWDM边带谱特性解调在4nm左右的动态范围内时，根据实际数据得到的系统灵敏度曲线与理论曲线接近，FBG中心波长变化量与系统输出呈较好的线性关系。若能滤除系统输出的直流成分以及直流背景分量，系统的线性度会进