光纤布拉格光栅应变传感器解调马赫-曾德尔干涉仪的正交采样外文翻译资料

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光纤布拉格光栅应变传感器解调马赫-曾德尔干涉仪的正交采样

宋敏浩，尹世卓，鲁芬

提出了一种简单、高灵敏度的相位解调技术，并将其应用于光纤Bragg中对光栅应变传感器进行了实验研究。相位调制马赫-森德采样具有受控时延的输出产生两个具有相对正交的正交数据流相位差90°。应用该方法提取布拉格波长相关相位信息对正交信号进行数字反正切函数和相位展开。利用这种技术利用一个参考光栅，在30 kHz的采样率下通过应变获得应变传感准静态和动态应变测量中3.5微应变和6纳米应变=赫兹的分辨率，分别是。版权所有2000美国光学学会OCIS代码：060.2370、120.5060

一、介绍

正交信号处理有其独特的优点光纤Bragg光栅内部解调中的转换应变引起布拉格的费米传感器波长变化为强度变化。大多数干涉仪显示正弦强度变化-对线性波长变化输入的影响，导致信号衰落，限制输入波-长度范围、未知输入方向等。这个然而，问题可以通过正交信号来解决，可以得到相位信息与输入波长成线性关系的信息变化。时域ex中的正交信号处理边界有两个步骤：求积的产生相位偏移~90°！强度和相位提取实时的。因此广泛的为了开发生成使用简单和稳健的正交信号计划。1-8种技术，有几种可以使用用于布拉格波长询问。被动的波导接近5，6可用于电学自由环境，因为它们没有机械或干涉仪中的光学电路；因此简单和小型的系统配置是可能的。最近使用的读出法布里-珀罗干涉仪-路径差异被设定为正交相位差与示波光纤光栅应变传感器询问。但是，在这些不使用外部调制，即必要的直流消除-微分交叉乘法中的一点——反正切-调制极限准静态或低频应变传感。同时，它们的正交相位条件相对强度差易受影响当干涉仪受到环境影响时导致测量的心理扰动错误。相位产生的载波~PGC！解调器可用于准静态和动态传感都是因为相位调制强度可以在没有扭曲低频信号。还有，这个技术具有更强的抗扰动稳定性导致正交相移完成电子地。然而，同步检测基波和第二波的振幅相位调制频率的谐波要求高频相位调制或高阶次低通滤波分离谐波从信号，这导致系统增加复杂性和缺乏灵活性。相位调制单元高达30khz的关系被应用于M-Z干涉仪，产生一个正交相位采样数据之间的差异。数字电弧切线解调用于简单相位提取应变诱导的展开算法相位信息。准静态应变传感消除热相漂移带屏蔽参考光栅。数据元素的详细信息调制过程和性能特点下面划线。然而，同步检测基波和第二波的振幅相位调制频率的谐波要求高频相位调制或高阶次低通滤波分离谐波从信号，这导致系统增加复杂性和缺乏灵活性。在本文中，我们描述并演示了一个新的M、 宋和S.Yin~sxy105@psu.edu！在部门里宾夕法尼亚州立大学电气工程系，宾夕法尼亚大学公园，邮编16802。P、 B.鲁芬和U、 美国陆军航空导弹司令部，红石兵工厂，阿拉巴马州35898-5254。1999年6月24日收到；修订稿29日收到1999年。0003-6935y00y071106-06$15.00y0版权所有2000美国光学学会1106应用光学y第39卷，第7期，2000年3月1日正交信号产生技术光纤马赫-森德定时强度采样MyZ干涉仪，需要较少的数值比传统的PGC处理，使其适用于计算机接口测量更灵活的管理系统。相位调制单元高达30khz的关系被应用于MyZ涉仪，产生一个正交相位采样数据之间的差异。数字电弧切线解调用于简单相位提取应变诱导的展开算法相位信息。准静态应变传感消除热相漂移带屏蔽参考光栅。数据元素的详细信息调制过程和性能特点下面划线。

二、正交采样相位解调

生成的基本方案相位调制MyZ正交信号特弗计。干涉仪的输出相位可以用压电换能器PZT调节放置在其中一个干涉仪中的纤维拉伸器手臂。当压电陶瓷由赛罗丹驱动时振幅微调为生产的函数减少2p相位偏移，光电探测器输出可近似如下：

是直流电，w是施加的率路径长度调制，k是输入的可见性光源, 是相位调制输入光的波长变化,是环境引起的随机相位波动。阶段调制干涉仪输出在调制周期。以确保第一个，抽样每次循环都在同一个位置进行，我们使用晶体管-晶体管逻辑TTL！0-5伏正方形与调制同步的波信号信号作为参考定时。在每个周期的同一位置，我们使用晶体管-晶体管逻辑TTL！0-5伏正方形与调制同步的波信号信号作为参考定时。正交条件在第一个和第二次采样数据。严格地说，这些是不是正交信号，因为它们不存在于同时。但是，如果采样频率是足够大的信号相位变化可以忽略不计，采样数据可以近似作为正交信号。使用商用纤维我们可以增加采样频率达数百公斤以上赫兹，足够高的频率取样-光学频率分辨应用的频率，如高分辨率光学频域光纤光栅传感器。在正交信号被处理计算机时，正弦信号除以弦，生成切线数据。这个应变引起的MyZ界面相变干涉仪输出

n是光纤芯的折射率，d是干涉仪的路径长度差，是布拉格波长，是波的偏差施加应变引起的长度，为单位应变布拉格波长位移，为施加在光栅上的应变。

然后是阿尔卡特反正切函数用于提取相位。相位项随应用线性变化因此引起的信号衰落问题干涉仪的周期传递函数被淘汰的。尽管相位展开算法空间域解调中的算法是因多次发生而复杂相位跳跃，我们可以使用一个简单的算法通过假设在一个采样间隔内只有一个相位跳变，那就是当采样比信号快得多时为真-因此，作为相位展开。

三、实验

A.系统配置

我们使用这种正交采样技术-光纤布拉格光栅应变传感器的调制。图1是传感器系统的示意图。

图1.实验装置

介绍了一种非平衡路径MyZ干涉仪-两个3分贝方向的熔接结构一个圆柱形的PZT被放置在

手臂。干涉仪的路径长度不同将差异设置为；5毫米，结果是：0.3纳米传递函数周期。

正交信号处理明确的测量范围不是一个主要的问题是相位展开的从输出中剔除周期性，扩展联合国虚拟无限的模糊范围。正交信号处理明确的测量范围不是一个主要的问题是相位展开从输出中剔除周期性，扩展明确的虚拟无限的模糊范围。

因此光程差可以增加在敏感度和范围明确。然而，应该相对于传感器的部分相干进行调整最大限度信号，因为条纹可见度降低。最大限度的最佳灵敏度可通过以下方法确定这是韦斯等人提出的。

,我们确定了最佳的OPD为4.5mm，即对应于0.35纳米干涉仪传输功能周期。使用的光栅的平均值至方程式。我们在一次核聚变中发现了这个干涉仪外观测拼接过程掺铒光纤宽带的put谱光源和光谱分析仪。

因为压电陶瓷的共振特性我们用的纤维拉伸器，塞罗丹信号在内部产生许多谐波频率-

参考信号；

图2. MyZ干涉仪的功率传递函数追踪以及光纤光栅传感器的反射光谱

图2显示了结构干涉仪。下面的痕迹是一种光纤布拉格光栅的反射光谱传感器。

因为压电陶瓷的共振特性我们用的纤维拉伸器，塞罗丹信号在内部产生许多谐波频率参考信号；因此我们使用1 kHz正弦信号用作路径长度调制信号。在这个在这种情况下，设置采样时间变得更加困难因为没有正弦函数的线性波形。但是，系统性能与只要正弦调制函数计算正交相位差。同步来自函数生成器的输出TTL信号是传输到数据采集板连接到个人电脑。第一次抽样当同步输出从低到高时发生，并且第二次采样发生在之后。我们可以找到正交条件的最佳监测第一个和第二次采样数据。图3显示了各种具有不同值的利萨如模式。这个粘有纤维格栅的铝梁上上下下地弯下腰相位偏移。如模式所示，人们可以通过以下方法轻松地将相位差调整到任何数量改变时间延迟；因此这种技术将对于需非正交相位差。

图3. 具有几个时滞的李萨如模式

图4. a. 原始采样信号,b. 处理过的相位信号

大多数其他的求积技术使用两个国米双臂发出的信号费米计。在这些情况下，相对振幅，相位差，或两个信号之间的相位差易受外部强度-极化影响扰动、输入波长变化或不同光电探测器和电子学，需要额外增益或相位调整。在这里然而，真实采样技术信封总是一样的保持真实的相位条件环境影响或系统参数变化因为这两个信号是从同一干涉臂和正交条件操作只受时间延迟的控制。因此无需增益或相位调整。另外因为相位调制，光电探测器信号可以交流耦合，允许准静态传感一个复杂的直流偏移过程。

B. 应变测量

1. 动态应变测量

图5. 当不同形式的驱动电压被施加到PZT上传感器已连接。

演示的解调性能传感器系统，我们连接了一个光纤光栅传感器在铝梁的表面上拉紧以不同的方式。图4显示了当我们通过加载不规则应变到光栅传感器上下抚摸光束。一个相位偏移；5.5p由应用590个跳变。在这种情况下，1 kHz的正弦曲线对纤维拉伸器赋予了函数，并且因此，采样率也是1khz。与图5-a中的原始正交信号进行比较，正交信号处理的优点是

清晰：灵敏度均匀，动态范围大，以及可辨别的紧张方向。箔应变与光纤光栅连接的量规

在图4-b中的虚线曲线上显示了相同的轮廓和光纤传感系统一样。将各种形式的应变引入光栅传感器，我们把光纤光栅连接到一个多基座上压电陶瓷，由函数发生器驱动。

40时的努赛尔、正方形和三角形调制应用了赫兹，图5显示了恢复的波形。

图6显示了功率谱当一个2千赫正弦波形被给予压电陶瓷。

图6. 2-kHz正弦波时的功率谱

图7. 准静态应变测量：热波动补偿和非补偿输出

当一个2千赫正弦波形被给予压电陶瓷，用30khz的抽样速度，数据存储在内存和傅里叶变换。从60分贝信号到2-kHz信号分量的噪声比，最小值最大可检测动态应变计算为6纳米/赫兹。

2．准静态应变测量

如上所述，这种正交采样技术可用于准静态应变测量没有复杂的直流偏移，因为光电探测器信号可以直接交流耦合。作为如图所示2。使用屏蔽参考光栅为了补偿MyZ干涉仪。12的强度输出参考光栅在与传感器光栅相同，其相位为从传感器光栅中减去；作为回复结果，在最终输出。然而，在实验中传感器和参考光栅的位置同时取样，因为我们只用了一个数据采集中的模数转换器电子设备。因此连续四次抽样是在萨姆和他一个100赫兹的三角形信号被用作诱导线性相位变化的相位调制随着时间的推移。图7是准静态应变测量我们通过弯曲铝得到的保证结果具有不同应变偏差的铝梁。固体曲线是热相位波动补偿输出并清楚显示应用的应变偏差步骤；虚线曲线是未补偿的输出，很难看到应变效应，因为剧烈的热波动。当我们保留传感器光栅无应变数小时，以测量系统漂移，输出变化0.1 rad峰值峰值，对应于最小可检测应变偏差为3.5 mu;应变。这种波动，如何可归因于环境温度，挖掘中的测量噪音数字量化，或两者兼有。在初步实验中在本节中描述的信息中，只有交流耦合用于信号调节，尽管波动会在适当的时候降低到更低的水平温度屏蔽和信号调节实施。

四.结论

我们提出了一种新的正交信号同步数字生成技术光纤MyZ的路径长度调制采样干涉仪。

作为一个应用程序，我们使用它作为光纤光栅波长解调器应变传感器。高分辨率测量在两种准静态情况下都获得了广泛的输入范围以及动态应变传感。系统的鲁棒性对潜在扰动的性能是两个求积大大增强了信号来自同一干涉仪手臂。当新技术与PGC解调技术已被广泛应用

在干涉传感应用中，有是一些相互竞争的特质，比如敏感，系统复杂，参数设置容易。尽管PGC技术更适合使用对于电子电路，这种正交采样在数字处理单元中具有一定的优势需要更灵活的参数设置和更少的数据。结合之前的研究端口波分复用技术，这种方法可以扩展到可用于监测的多点传感器系统结构疲劳或瞬态事件。M、 宋庆龄感谢柯文哲的资助韩国研究基金会1997年项目。

五．参考文献

1. A. Dandridge, A. B. Tveten, and T. G. Giallorenzi, “Homodynedemodulation scheme for fiber optic sensors using phase generated carrier,” IEEE J. Quantum Electron. JQE-18, 1647–1653 ~1982!.

2. Y. L. Lo, J. S. Sirkis, and C. C. Chang, “Passive signal process-ing of in-line fiber etalon sensors for high strain-rate loading,”J. Lightwave Technol. 15, 1578–1585 ~1997!.

3. M. Kobayashi, K. Takada, and J. Noda, “Optical-frequencyencoder using polarization-maintaining fiber,” J. LightwaveTechnol. 8, 1697–1701 ~1990!.

4. K. Takada, “High-resolution OFDR with incorporated fiber-optic frequency encoder,” IEEE Photon. Technol. Lett. 4,1069–1072 ~1992!.

5. K. P. Koo, A. B. Tveten, and A. Dandridge, “Passive stabiliza-tion scheme for fiber interferometers using ~3 3 3! fiber direc-t

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