引用本文:

鲍克勤,倪蓉,张雪健. 基于优化解调算法的光纤传感器交叉敏感问题研究[J]. 光通信技术,2020,44(3):17-21.

基于优化解调算法的光纤传感器交叉敏感问题研究

鲍克勤,倪 蓉,张雪健

(上海电力大学 自动化工程学院,上海 200090)

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摘要:光纤传感器固有的交叉敏感问题一直是光纤传感技术应用中亟需解决的问题。提出了一种多目标粒子群优化(MPSO)解调算法,分别讨论了2个光纤布喇格光栅(FBG)中心波长在相同与不同的传感系统中的解调情况,以及不同反射率对解调结果的影响。该算法不仅具备较高检测精度(温度测量精度为0.1 ℃,应变精度为0.5 με),而且系统结构简单、易于实现,对FBG的材料、结构、中心波长及反射率无严格限制。

关键词:光纤布喇格光栅;光纤传感器;交叉敏感;优化算法;解调

中图分类号:TP212 文献标志码:文章编号:1002-5561(2020)03-0017-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.03.005

0 引言
        随着光纤传感技术[1]的发展,光纤布喇格光栅(FBG)传感器理论研究与工程应用都取得了很大的进步。FBG传感器测量对象极其广泛,在电力、医学、土木和航天等领域均有涉及[2-7]。但是,FBG传感器中固有的交叉敏感问题,一直是研究的热点和难点[8]。
   目前,解决FBG交叉敏感问题的方案很多。例如:双波长矩阵法[9,10],通过2个敏感系数不同的FBG感应温度、应变的变化量,但两者的中心波长值在不同带宽范围内,需要2套解调系统。长周期法利用长周期光栅能够对温度、应力变化产生不同程度响应,并结合短周期FBG实现温度、应变的同时测量,进行长周期光栅与短周期光栅同时解调,但该方法对解调系统要求较高[11-13]。参考光栅法[14],采用2个温度特性相同的光栅组成测量系统,传感光栅感应温度、应力变化,但参考光栅仅感应温度变化。此外,还可以通过不同的封装结构来控制调节由温度引起的波长漂移,起到温度补偿作用,但封装结构过于复杂、稳定性差[15,16]。
   本文基于温度、应变交叉敏感的原理,提出多目标粒子群优化(MPSO)解调算法,有效克服传统方法中对FBG结构和参数的严格限制,实现简单高效的温度、应变解调。在满足解调精度的基础上,进一步降低测量系统组建的复杂度,解决传统的交叉敏感问题。

4 结束语
       本文提出了MPSO优化解调算法,解决了光纤传感器中固有的温度、应变交叉敏感问题。该方法对2个FBG系统中的中心波长无要求,只要在光谱仪工作范围内在传感系统的构建上更加简易;无需对FBG的封装及结构进行特殊处理,便于操作与实现。该种解调方法对传感系统本身要求不高,且容易进行复用,能进一步扩大传感网络,实现大规模测量。数值仿真过程中,分别讨论了2个FBG中心波长相同和不同时的解调情况,仿真结果表明都能实现温度、应变的有效区分。其中,温度测量精度为0.1 ℃,应变精度为0.5 με,该优化算法能满足实际测量中对精度的要求。