针对复杂电磁环境下风洞实验中绕流阻力测量和飞行器空速监测的需求,利用自主研制的基于白光干涉测量技术的压差式光纤气流传感系统开展了相关实验研究。该系统由压差式光纤气流传感探头和小型化白光干涉测量传感解调仪组成,可以实现同步高速、高精度的压差测量。传感探头可实现单通道的压差传感,通过获取待测对象表面受压与流场中静压之间的压差来进行阻力探测,或与皮托管耦合进行流速测量。传感解调仪主要由波长扫描激光器、现场可编程门阵列控制与采集模块、光电探测器组成。该系统对风洞实验中以圆柱绕流阻力为代表的经典绕流模型进行了测量与分析,所得结果和标准多通道电子压力测量仪的结果相近。该光纤传感系统仅利用光纤来感知和传输信号,可有效对抗电磁干扰,为强电磁干扰环境下利用光学方法对空气流场绕流阻力进行精确分析提供一种新的选择,在未来空气动力学研究和飞行器监测领域具有潜在的应用价值。
光学学报
2021, 41(13): 1306022
1 大连理工大学光电工程与仪器科学学院, 辽宁 大连 116024
2 大连理工大学物理学院, 辽宁 大连 116024
提出一种采用激光器频率调制准连续相移干涉实现膜片式光纤声传感器阵列同时解调的技术。通过调制光栅Y分支(MG-Y)可调谐激光器的快速频率调谐引入相移,4个具有π/2相位偏置的光频率按顺序切换,产生准连续的正交相移信号。基于五步相移算法,任意5个相邻相移信号用于相位恢复,由于没有机械运动部件,实现了高速稳定的相位解调。该系统的相位采样率(600 kHz)取决于频率调制速度。实验结果表明,通过调整激光器输出频率,可以正确解调宽腔长范围的非本征Fabry-Perot干涉(EFPI)传感器。此外,构建了一个紧凑的多点声传感阵列系统,实现了声源定位应用。
测量 相位测量 相移干涉术 调制光栅Y分支激光器 光纤麦克风 声源定位
1 大连理工大学物理学院, 辽宁 大连 116024
2 大连理工大学光电工程与仪器科学学院, 辽宁 大连 116024
调制光栅Y分支(MG-Y)可调谐半导体激光器能够实现宽波长范围的快速调谐,有望成为光纤传感应用中最有发展前景的光源之一。为了满足光纤传感应用中对于精细波长准连续调谐的需求,提出了一种基于样条插值的MG-Y型激光器的自动化测试技术。该方案充分利用了MG-Y激光器的调谐特性,通过左、右光栅反射区电流的粗扫描获取覆盖40 nm范围的平滑的调谐路径。将每一条路径内的左右光栅反射区电流组合对应的线性调谐段进行去重拼接后,可实现目标波长的快速插值检索。通过对半导体光放大器的电流和相位区电流的双重校准,实现了激光器在不同输出波长下的平坦功率。利用该技术构建了覆盖1527~1567 nm、波长间隔为8 pm的波长-电流查找表。该查找表的电流调谐路径平滑,功率波动小于0.2 dBm,可用于需要进行快速光谱采集的光纤传感应用中。
激光器 可调谐半导体激光器 光纤传感 自动化测试 中国激光
2020, 47(12): 1206004
大连理工大学物理与光电工程学院, 辽宁 大连 116024
法布里-珀罗(F-P)干涉仪结构的光纤传感器因其结构简单、体积小、高灵敏度等优点得到了广泛的应用, 开放式法布里-珀罗干涉仪传感器可对待测液体的折射率进行测量。利用机械切割、飞秒激光击穿等方法可以制成开放式法布里-珀罗干涉仪。利用玻璃焊剂将开放的空心毛细管和两段单模光纤焊接在一起, 制成开放式法布里-珀罗干涉仪传感器, 并采用交叉相关的信号处理技术实现对待测液体折射率的绝对测量。采用不同浓度的氯化钠溶液进行折射率测量实验, 折射率测量分辨率可达到10-5 RIU量级, 传感器的温度灵敏度为39.59 nm/℃。
测量 法布里-珀罗干涉仪 折射率 传感器 中国激光
2017, 44(12): 1204007
大连理工大学物理与光电工程学院， 辽宁 大连 116024
介绍了一种结构简单的熔接式全石英光纤非本征型法布里-珀罗干涉仪（EFPI）高静压传感器，对传感器的压力效应进行了理论分析，给出了传感器的设计结构和制作过程。和传统EFPI传感器相比，该传感器具有长腔长、结构简单、制作工艺简易、应用灵活方便等优点，可以用于较高静态压力的测量。建立了传感解调系统，对压力进行了测试，测量精确度高，稳定性好。同时进行了温度敏感度测量实验，温度敏感系数约为0.72 nm/℃，传感器的腔长温度线性度好，结果显示传感器温度交叉敏感度低。在0～20 MPa压力测量范围内，该传感器的压力腔长灵敏度可以达到21 nm/MPa，连续10 h动态测量条件下，测量偏差为0.2%FS。
传感器 压力 非本征型法布里-珀罗干涉仪 石英毛细管 中国激光
2016, 43(10): 1010004
大连理工大学物理与光电工程学院, 辽宁 大连 116024
为了进一步提高相位调制型表面等离子体共振(SPR)测量技术的分辨率，从相差信号解调算法方面进行了优化。基于马赫-曾德尔干涉仪结构的相位调制SPR 系统中，携带传感信息的p光干涉信号与进行参考的s光干涉信号间存在着相位差。使用光电探测器和数据采集卡将两路干涉光信号采集到PC 机，再结合数学计算理论和信号处理原理，最终通过设定逻辑条件选取出较理想的波形、运用锁相的思想对参与解调的光信号进行锁定、利用信号处理原理对2路光信号进行相应的处理，分析了2路干涉光在同一时刻的相位差异。基于该相差信号解调算法，一段时间内相位差异的起伏为0.006° ，实现了4.7×10-7RIU(RIU 表示单位折射率)分辨率的折射率测量。
传感器 信号处理 表面等离子体共振 干涉 相位测量
1 清华大学电子工程系
2 清华大学精密仪器与机械学系, 北京 100084
3 中海油田服务股份有限公司技术中心,河北 燕郊 065201
本文对消除干涉型光纤传感器信号偏振衰落的偏振分集接收PDR(Polarization Diversity Receiver)技术进行了理论分析.通过三态PDR方式，对输出的最大有效幅度信号进行选取，能够避免传输光偏振态变化导致干涉信号完全衰落的现象，使干涉信号有效幅度在一定范围内变化.采用基于反正切计算的相位生成载波PGC（Phase Generated Carrier）解调技术的相位测量结果不受由于偏振衰落导致干涉信号有效幅度变化的影响.提出结合三态PDR方式和基于反正切计算的PGC解调技术消除偏振衰落问题的影响，实现干涉型光纤传感器中相位信号的理想解调.
干涉型光纤传感器 偏振衰落 偏振分集接收 相位生成载波 Interferometric optical fiber sensor Polarization induced fading PDR(Polarization Diversity Receiver) PGC(Phase Generated Carrier)
1 清华大学精密仪器与机械学系
2 清华大学电子工程系光纤传感实验室
3 清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084
提出了一种带空气腔芯轴型光纤水听器的结构模型，并对其声压相移灵敏度的响应特性进行了研究.通过对空气腔芯轴型光纤水听器的基本原理和结构进行分析，得出光纤与弹性筒作用的相互关系;建立了动力学等效模型，得出带空气腔芯轴型光纤水听器声压相移灵敏度表达式以及频率特性的理论模型;利用有限元方法，得到芯轴型光纤水听器的响应模型.根据提出的结构和确定的参量制作出相应的探头，经过试验测试，其3 dB带宽约为30 kHz，测试结果验证了提出的理论模型与有限元模型的正确性.
光纤传感器 光纤水听器 声压相移灵敏度 有限元方法 Fiber-optic sensor Fiber-optic hydrophone Pressure phase sensitivity Finite element method
1 清华大学精密仪器与机械学系,北京 100084
2 清华大学电子工程系光纤传感实验室,北京 100084
3 清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京 100084
声压相移灵敏度是光纤水听器的重要指标之一,提高灵敏度是光纤水听器设计的基本原则。应用正交设计方法对光纤水听器声压灵敏度指标进行优化设计,提出了一种带空气腔芯轴型光纤水听器的三维声压相移灵敏度理论模型,对其灵敏度特性进行了研究。根据提出的结构,制作了探头。通过试验测试,理论模型符合实际测试结果,并且通过极差分析方法得到各种因素对于光纤水听器灵敏度的影响程度,进而得到了优化设计方案。
光纤传感器 光纤水听器 声压相移灵敏度 正交设计
提出了一种新的白光非本征法布里珀罗干涉(EFPI)光纤传感系统的干涉谱处理方法,在白光法布里珀罗干涉光纤传感系统中,一个中心波长为850 nm的发光二极管(LED)作为宽谱光源,HR2000高分辨力微型光谱仪用来测量返回的干涉光谱。通过跟踪干涉光谱中的特定谱峰点,法布里珀罗干涉传感器的腔长值可以被解调出来。应用反向传播神经网络,解决了单峰测量方式的级次模糊问题。反向传播神经网络能够分辨出干涉谱中不同谱峰的干涉级次,因而可以进行多个谱峰的连续跟踪。从而实现了高精密度、大动态范围的测量。进行了基于这种干涉谱处理方法的白光法布里珀罗干涉传感系统的应变测量实验。利用该传感系统实现了精密度达0.1 με,500 με范围的应变测量。
光学测量 光纤传感器 白光干涉 非本征法布里珀罗干涉仪 反向传播神经网络 应变
