劉彥超,申?duì)幑?時(shí)兆峰,苑景春,柏 楠

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所,北京 100074)

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基于微型光譜儀的光纖壓力高速解調(diào)技術(shù)

劉彥超,申?duì)幑?時(shí)兆峰,苑景春,柏 楠

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所,北京 100074)

為解決高超聲速飛行器中大氣壓力傳感系統(tǒng)的多通道、高精度、強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性等技術(shù)需求問題,具有耐高溫、易組網(wǎng)、高靈敏度、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)的光纖壓力傳感技術(shù)成為航空航天壓力傳感領(lǐng)域的重要研究方向。提出一種基于微型光譜儀的光纖壓力高速解調(diào)技術(shù),該技術(shù)采用基于體相位光柵和線陣光電探測(cè)器的微型光譜儀作為光譜探測(cè)單元、Actel公司的片上SoC電路系統(tǒng)作為智能信息處理單元,融合數(shù)字濾波、線性擬合、曲線尋峰、信號(hào)重構(gòu)等數(shù)據(jù)處理算法,完成光纖壓力傳感器高速解調(diào)系統(tǒng)研制,并搭建壓力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)的壓力測(cè)量范圍優(yōu)于260kPa,測(cè)量精度接近0.1% F.S.,分辨率為10Pa,動(dòng)態(tài)響應(yīng)可達(dá)5kHz。

Fabry-Perot;光纖壓力傳感;體相位光柵;線陣光電探測(cè);光譜分析

0 引言

Fabry-Perot(F-P)光纖壓力傳感器具有體積小、質(zhì)量小、測(cè)量靈敏度高、抗干擾、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),非常適用于航空航天、石油化工等應(yīng)用環(huán)境惡劣,且對(duì)壓力傳感的精度和解調(diào)速度要求又非常高的領(lǐng)域：如高超聲速飛行器的大氣壓力測(cè)量領(lǐng)域面臨的高溫、高速和強(qiáng)電磁干擾等嚴(yán)酷復(fù)雜環(huán)境;又如石油天然氣勘探、儲(chǔ)備領(lǐng)域面臨的長距離監(jiān)測(cè)、安全性要求高,易燃易爆、強(qiáng)腐蝕等特殊的環(huán)境。而傳統(tǒng)的諧振式、壓阻式、電容式等各類壓力傳感器大多帶電,且信號(hào)傳輸復(fù)雜,很難應(yīng)用于上述惡劣環(huán)境。但光纖F-P壓力傳感器本質(zhì)安全,除了具有上述優(yōu)點(diǎn)外,另外還能夠僅通過一根光纖完成壓力傳感和數(shù)據(jù)的傳輸,對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小、便于復(fù)用、成網(wǎng),有利于與現(xiàn)有光通信設(shè)備組成遙測(cè)網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn),因此光纖F-P壓力傳感技術(shù)已經(jīng)成為航空航天、石化、電力、核工業(yè)等領(lǐng)域中壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要研究方向。

1991年,美國Murphy等首次成功研制出非本征型光纖F-P傳感器[1];從1992年Murphy等在F-15戰(zhàn)機(jī)上對(duì)非本征型F-P傳感器進(jìn)行疲勞測(cè)試研究開始[2],全世界迅速掀起了光纖F-P傳感器研究應(yīng)用的熱潮,代表性的有1994年Greene等使用6只光纖F-P壓力傳感器組成傳感器陣列對(duì)副翼進(jìn)行測(cè)試,測(cè)量結(jié)果與箔應(yīng)變計(jì)結(jié)果非常接近[3]。2002年,Pullian等對(duì)光纖F-P壓力傳感器在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及高速燃燒室中的應(yīng)用進(jìn)行探討,并完成了對(duì)跨聲速風(fēng)扇的測(cè)試,該傳感器的測(cè)量范圍為0～750psi,響應(yīng)頻率大于150kHz,常溫下滿量程精度達(dá)到1%[4]。2003年 Luna Innovation公司 Elster等探索光纖F-P壓力傳感器在飛行器健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用,并在美國波音公司等地展開實(shí)驗(yàn)測(cè)試[5]。2004年,Richards等對(duì)內(nèi)嵌式光纖F-P應(yīng)變傳感器在航天級(jí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的特性進(jìn)行了研究[6]。2010年,NASA資助VIP Sensors公司進(jìn)行光纖壓力傳感器陣列研發(fā),測(cè)量飛機(jī)飛行時(shí)的氣流壓力[7]。目前越來越多的企業(yè)、研究單位進(jìn)入到光纖傳感領(lǐng)域,其作為新一代傳感技術(shù)、國防科工關(guān)鍵技術(shù),對(duì)國家工業(yè)和武器裝備綜合實(shí)力的發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。

目前光纖F-P壓力解調(diào)技術(shù)有相位解調(diào)、強(qiáng)度解調(diào)、頻率解調(diào)和波長解調(diào)等方法。其中波長解調(diào)技術(shù)將感測(cè)的傳感器光信息進(jìn)行波長編碼,對(duì)光源輸出功率的穩(wěn)定性要求不高,可以忽略對(duì)光纖連接器和耦合器的損耗,因此得到了廣泛的應(yīng)用。國外從20世紀(jì)90年代初就展開了對(duì)波長解調(diào)技術(shù)的研究,各種解調(diào)技術(shù)被相繼提出,例如邊緣濾波線性解調(diào)法:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,靈敏度高,可以測(cè)量高頻響應(yīng)信號(hào),但只能單點(diǎn)測(cè)量;匹配濾波法:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,但檢測(cè)波長范圍窄,只能單點(diǎn)測(cè)量;非平衡M-Z干涉法:靈敏度高,但只能測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變,不能應(yīng)用于絕對(duì)測(cè)量;光纖F-P濾波器解調(diào)法:精度高、穩(wěn)定性好,但受其本身機(jī)械結(jié)構(gòu)制約,被檢測(cè)信號(hào)的頻率范圍受到很大限制。綜上,本文采用基于微型光譜儀的波長解調(diào)方法,其具有速度快、精度高、體積小、波長范圍寬等優(yōu)點(diǎn),但因?yàn)槲⑿凸庾V儀內(nèi)部線陣光電探測(cè)器數(shù)量限制,需要高效的數(shù)據(jù)算法處理離散的光譜信息,因此尋峰算法是精準(zhǔn)確定波譜峰值的關(guān)鍵。

本文在分析光纖F-P壓力傳感器原理的基礎(chǔ)上,對(duì)光纖F-P壓力解調(diào)理論和方法進(jìn)行了研究,針對(duì)采用微型光譜儀技術(shù)的光譜解調(diào)方案,設(shè)計(jì)了光譜解調(diào)信息處理模塊,通過分析光纖F-P壓力傳感器的反射光譜特點(diǎn),設(shè)計(jì)優(yōu)化了光譜尋峰算法,最終完成解調(diào)設(shè)備研制和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 光纖F-P壓力傳感器傳感原理分析

系統(tǒng)采用非本征型光纖F-P壓力傳感器,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光纖F-P壓力傳感器是由2個(gè)平行的光學(xué)平面構(gòu)成光學(xué)諧振腔,即如圖1所示光纖端面與彈性膜片之間構(gòu)成的法珀腔,膜片感受壓力的變化后會(huì)發(fā)生彎曲變形,變形的膜片導(dǎo)致法珀腔長度發(fā)生變化,進(jìn)而會(huì)引起光在光纖中傳播的性質(zhì)(如強(qiáng)度、相位、波長等)發(fā)生變化,從而達(dá)到傳感的目的。通過測(cè)量光纖F-P壓力傳感器輸出的高反射鏡間光的多次反射構(gòu)成的多光束干涉，形成的光譜信號(hào)就可以得到外部壓力的變化。

光纖F-P壓力傳感器所受壓力與腔長之間的關(guān)系可以表示為

(1)

式中,v代表光纖材料的泊松比,E代表光纖材料的楊氏模量,P代表傳感器所受壓力,h代表薄膜的厚度,r代表膜片的有效半徑,Δd是腔長的變化量。

當(dāng)光纖壓力傳感器受到的壓力變化時(shí),反射光譜圖中的每一個(gè)譜峰波長λ,都對(duì)應(yīng)一個(gè)干涉級(jí)次m,當(dāng)腔長d變化Δd時(shí),m對(duì)應(yīng)的λ值就會(huì)移動(dòng)Δλ,其關(guān)系可以表示為

(2)

因此光纖F-P壓力傳感器通過采用MEMS加工技術(shù)準(zhǔn)確設(shè)置傳感器的腔長和薄膜厚度,保證相鄰譜峰之間的波長差大于微型光譜儀探測(cè)范圍,則微型光譜儀只能探測(cè)到干涉級(jí)次為某一個(gè)特定值下的譜峰波長,通過光譜分析,確定光譜的單峰峰值波長,監(jiān)測(cè)其位置的變化,根據(jù)式(2)得出傳感器腔長的移動(dòng),再根據(jù)式(1)就能得到外界壓力的變化,光譜波形如圖2所示。

2 光纖F-P壓力傳感系統(tǒng)解調(diào)光路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用基于全息體相位光柵(VPHG)和銦砷化鎵(InGaAs)線陣光電探測(cè)器的微型光譜儀來實(shí)現(xiàn)光電信息轉(zhuǎn)換。此方案具有測(cè)量速度快、體積小、測(cè)量波長范圍寬、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。其原理如圖3所示。其工作模式為:入射光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡L1變?yōu)槠叫泄?平行光垂直入射到衍射光柵上,衍射光柵的每條狹縫都將產(chǎn)生單縫干涉,并且來自不同狹縫的相干光進(jìn)行相干疊加發(fā)生多縫干涉,因此透射式衍射光柵的衍射為多縫干涉和單縫衍射疊加的結(jié)果。當(dāng)用復(fù)色光照射時(shí),除零級(jí)衍射光外,不同波長的同一級(jí)衍射光不重合,于是衍射光柵就將不同波長的光分開了,不同波長光譜線的分開程度隨著衍射級(jí)次的增大而增大,對(duì)于同一衍射級(jí)次而言,波長大的出射角度大,波長小的出射角度小。衍射角相同的所有衍射光被透鏡L2匯聚于光電傳感器上一點(diǎn),相干疊加的結(jié)果決定了此點(diǎn)處的光強(qiáng)。最終通過光電探測(cè)器陣列不同位置的光強(qiáng)大小,可以將反射光譜實(shí)現(xiàn)記錄與再現(xiàn)。

3 光纖F-P壓力傳感系統(tǒng)信息處理模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)飛行器上大氣壓力傳感系統(tǒng)和各行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)對(duì)光纖F-P壓力傳感系統(tǒng)高速、高精度的要求,系統(tǒng)采用Actel系列高速智能型混合信號(hào)SoC,Actel新一代SoC技術(shù)具有明顯減小控制芯片占用面積、低成本、低功耗、高安全、單芯片、上電即行等優(yōu)點(diǎn),芯片內(nèi)部FPGA最高速度可達(dá)350MHz,ARM速度為100MHz,其在模數(shù)混合FPGA的基礎(chǔ)上融入了高效的Cortex M3 ARM內(nèi)核,該內(nèi)核屬于硬核,不占用FPGA的邏輯資源,使芯片不僅具有FPGA高速并行的優(yōu)勢(shì),而且可以發(fā)揮ARM靈活控制的特點(diǎn)。解調(diào)系統(tǒng)中FPGA的工作主要有:為系統(tǒng)其他模塊提供時(shí)鐘信號(hào),控制與接收AD模塊信息,對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理消除噪聲等;ARM負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的算法運(yùn)算,尋找光纖壓力傳感器反射光譜的峰值位置,對(duì)傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu),進(jìn)而推算外界參量的變化等,可編程的模擬模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償,提升系統(tǒng)精度和環(huán)境適應(yīng)能力。

根據(jù)HAMAMATSU公司線陣光電轉(zhuǎn)換陣列提供的最高5MHz時(shí)鐘頻率,以及模擬電壓信號(hào)輸出范圍,通過指標(biāo)閉合,選擇ADI公司為CCD陣列專門優(yōu)化的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9826KRSZ,其通過多路復(fù)用方式接入一個(gè)高性能16位20MHz的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),工作模式與線陣光電探測(cè)器相匹配,可以采用3V/5V數(shù)字電源,并且功耗低、發(fā)熱小、性能穩(wěn)定,能夠達(dá)到系統(tǒng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的所有要求。

信號(hào)處理電路數(shù)據(jù)流簡(jiǎn)圖如圖4所示。

4 光譜數(shù)據(jù)尋峰算法設(shè)計(jì)

4.1 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)圖2可見光纖F-P壓力傳感器反射光譜波形特點(diǎn):光譜數(shù)據(jù)中波峰個(gè)數(shù)少,且波峰窄,包含波峰的數(shù)據(jù)占數(shù)據(jù)整體的比例很小,大量噪聲數(shù)據(jù)的存在,對(duì)系統(tǒng)尋峰精度沒有貢獻(xiàn),且需要占用大量的運(yùn)算時(shí)間和存儲(chǔ)空間,因此對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前,需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)預(yù)處理方法首先是設(shè)定閾值。閾值設(shè)定的原則為能夠去除不必要的信息,而且盡量減少對(duì)有效光譜數(shù)據(jù)造成的損耗。本文系統(tǒng)采用光譜數(shù)據(jù)平均值加標(biāo)準(zhǔn)差的方式,通過大量實(shí)驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)計(jì)算,最終確定閾值的大小。

計(jì)算出閾值后,通過對(duì)閾值以上的多個(gè)數(shù)據(jù)數(shù)組進(jìn)行半坡寬度計(jì)算,最終能夠保證僅留下峰值有效數(shù)據(jù)。尋峰擬合算法只采用最終保留的有效數(shù)據(jù),此方法對(duì)減小數(shù)據(jù)量,提升系統(tǒng)運(yùn)行效率非常有效。

4.2 曲線擬合

由于線陣光電探測(cè)器陣列像元數(shù)目有限,不可能無限增多,因此探測(cè)到的光譜數(shù)據(jù)是離散的,又因線陣光電傳感器陣列平均每一像元對(duì)應(yīng)的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到系統(tǒng)要求,因此需要將線陣光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)與像元位置序號(hào)之間的離散序列關(guān)系進(jìn)行擬合,提高測(cè)量精度。

光纖F-P壓力傳感器光譜數(shù)據(jù)處理中常用質(zhì)心法、高斯擬合法、多項(xiàng)式擬合法、三次樣條擬合法和半峰檢測(cè)等算法;在文獻(xiàn)[8]中比較了不同數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)下各種算法的性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:三次樣條擬合敏感度較低; 半峰檢測(cè)法抗噪性能較差[9]；而高斯擬合算法的精度和穩(wěn)定性能較好,誤差小。另外根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示的光纖F-P壓力傳感器光譜特點(diǎn),利用反射波峰上7個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合精度最高。系統(tǒng)采用最小二乘原理結(jié)合高斯擬合算法對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

光纖壓力傳感器的反射光譜曲線接近高斯分布,曲線可以用高斯函數(shù)近似表達(dá)為

(3)

可以將高斯函數(shù)變形為

G(x)=F(x)=exp (-Ax2+Bx+C)

(4)

采用最小二乘法作曲線擬合,有利于減小隨機(jī)性測(cè)量誤差,其原理是使光譜數(shù)據(jù)與擬合曲線誤差最小,即誤差平方和e最小

(5)

通過求(5)的極值即可獲得最小二乘最佳擬合曲線。

5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.1 光纖F-P壓力傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用Druck的ADTS405 Air Data Test System 作為壓力源對(duì)光纖F-P壓力傳感器施加準(zhǔn)確的壓力。為保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境的氣密性,采用航天專用氣咀連接ADTS 405壓力源和光纖F-P壓力傳感器。實(shí)驗(yàn)采用的光纖F-P壓力傳感器壓力取值范圍為80～260kPa時(shí),光譜峰值波長變化范圍約為1535～1565nm,實(shí)驗(yàn)采用寬帶光源的光譜平坦區(qū)間為1510～1580nm,能夠滿足光纖F-P壓力傳感器波長漂移的最大范圍。

光纖F-P壓力高速解調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示,其工作過程為:光源將寬帶光通過環(huán)形器射向光纖F-P壓力傳感器,F-P壓力傳感器會(huì)將與其受到壓力呈線性關(guān)系的光譜信號(hào)反射回來,經(jīng)過環(huán)形器進(jìn)入到光電信息處理模塊中,光在模塊內(nèi)部經(jīng)第3節(jié)所述光路解調(diào)后變?yōu)槟M電壓信號(hào),模擬電壓信號(hào)經(jīng)過第4節(jié)所述信息處理單元,進(jìn)行第5節(jié)所述運(yùn)算后最終得到外界氣壓的變化。

5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將光纖壓力高速解調(diào)系統(tǒng)與高精度光譜儀連接同一只光纖F-P壓力傳感器,分別進(jìn)行進(jìn)程和回程壓力解調(diào)實(shí)驗(yàn),不同壓力值對(duì)應(yīng)的高速解調(diào)系統(tǒng)尋出光譜峰值波長和高精度光譜儀尋出光譜峰值波長數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 壓力與光譜峰值波長對(duì)應(yīng)表

根據(jù)表1數(shù)據(jù),進(jìn)程和回程壓力值對(duì)應(yīng)的光譜波長的系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與光譜儀測(cè)量結(jié)果如圖6、圖7所示。根據(jù)圖中數(shù)據(jù),在壓力檢測(cè)范圍內(nèi),系統(tǒng)與高精度光譜儀測(cè)量結(jié)果基本一致,系統(tǒng)測(cè)量進(jìn)程、回程最小二乘擬合曲線分別為:

y1=-6.8845x+10838

(6)

y2=-6.8872x+10842

(7)

光譜儀測(cè)量壓力進(jìn)程、回程最小二乘擬合曲線分別為:

y1=-6.8867x+10841

(8)

y2=-6.8824x+10834

(9)

系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與光譜儀測(cè)量結(jié)果基本一致,且壓力進(jìn)程和回程測(cè)量結(jié)果一致。系統(tǒng)測(cè)量壓力-波長擬合曲線進(jìn)程和回程線性度R≈1 。將擬合曲線橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,得到其壓力靈敏系數(shù)約為1.45Pa/pm,根據(jù)高速壓力解調(diào)系統(tǒng)1pm的波長分辨率,若傳感器壓力分辨率足夠高,系統(tǒng)壓力分辨率能夠達(dá)到1.45Pa。

將壓力進(jìn)程和回程光譜峰值數(shù)據(jù)取平均值后,與相應(yīng)壓力值擬合曲線為

y3=-6.8859x+10840

(10)

將光譜峰值進(jìn)程和回程數(shù)值代入擬合曲線(10)計(jì)算出的壓力值和傳感器實(shí)際感受到壓力值的差值如圖8所示。誤差分析表明,系統(tǒng)測(cè)量壓力最大誤差控制在0.3kPa以內(nèi),系統(tǒng)壓力測(cè)量精度接近0.1% F.S. 。另外按照256像元線陣光電探測(cè)器最快5MHz的時(shí)鐘頻率,動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快可達(dá)17kHz,考慮系統(tǒng)對(duì)測(cè)量振動(dòng)的需求和系統(tǒng)穩(wěn)定性需求,又因系統(tǒng)設(shè)計(jì)FPGA和ARM協(xié)同工作的高效模式,系統(tǒng)最終通過算法處理后動(dòng)態(tài)響應(yīng)能夠達(dá)到5kHz。

6 結(jié)論

本文通過對(duì)光纖F-P壓力傳感器的機(jī)理進(jìn)行研究,針對(duì)其反射光譜特點(diǎn)和壓力解調(diào)方法,提出并設(shè)計(jì)了基于微型光譜儀和Actel 公司SoC片上系統(tǒng)的便于飛行器上應(yīng)用的光纖F-P壓力高速解調(diào)系統(tǒng),搭建壓力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)程、回程壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)精度達(dá)到0.1%F.S.,分辨率達(dá)到10Pa。此外高速解調(diào)系統(tǒng)除可應(yīng)用于壓力傳感領(lǐng)域,還可配合光纖溫度、應(yīng)變、加速度、振動(dòng)等多種光學(xué)傳感器應(yīng)用于其他各領(lǐng)域。

[1] Murphy K A, Gunther M F, Vengsarkar A M, et al.Quadrature phase-shifted, extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensors[J].Optics Letters,1991,16(4):273-275.

[2] Murphy K A, Gunther M F, Vengsarkar A M, et al.Fabry-Perot fiber-optic sensors in full-scale fatigue testing on an F-15 aircraft [J].Applied Optics,1992, 31(4):431-433.

[3] Greene J A, Tran T A, Gunther M F, et al.Damage analysis during full-scale testing of F-15 airframe using arrays of optical fiber sensors [C]//Smart Structures and Materials 1994.Smart Sensing,Processing,and Instrumentation.Orlando, 1994:494-498.

[4] Pulliam W J, Russler P M,Fielder R S.High-temperature high-bandwidth fiber optic MEMS pressure-sensor technology for turbine engine component testing[C]//Fiber Optic Sensor Technology and Applications.Newton, 2002:229-238.

[5] Elster J L, Treg O A, Catterallc, et al.Flight demonstration of fiber optic sensors[C]//Smart Structures and Materials 2003.Smart Sensor Techonlogy and Measurement Systems.SanDiego, 2003:34-42.

[6] Richsrds W L, Lee D G,Piazza A, et al.Characterization of embedded fiber optic sensors in advanced composite materials for structural health monitoring[C]//Smart Structures and Materials 2004.Smart Structures and Integrated Systems.SanDiego, 2004:505-512.

[7] 劉鐵根,王雙,江俊峰,等.航空航天光纖傳感技術(shù)研究進(jìn)展[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2014，35(8)：1681-1692.

[8] 朱浩瀚, 秦海琨, 張敏, 等.光纖布拉格光柵傳感解調(diào)中的尋峰算法[J].中國激光, 2008，35(6)：893-897.

[9] 李慶揚(yáng), 王能超, 易大義.數(shù)值分析[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2008 .

Study on Fiber Optic Pressure High-Speed Demodulation Based on Micro-Spectrometer

LIU Yan-chao, SHEN Zheng-guang, SHI Zhao-feng, YUAN Jing-chun, BO Nan

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment , Beijing 100074, China)

In order to meet the technological demands of multichannel, high-accuracy, environmental adaptability etc for air pressure sensing system of hypersonic aircraft, and with the advantages of high temperature resistance,easy networking,high-sensitivity, anti-EMI,Fiber Optic Pressure Sensor has become an important research direction in the pressure detection field of aeronautics and astronautics.Pressure demodulation technology based on micro-spectrometer is studied. By taking micro-spectrometer composed of volume phase grating and linear array detector as spectrum detection unit and Actel’s SoC as intelligent information processing unit,and through data processing algorithms like digital filter,linear fitting,curve peak-seeking,signal reconstruction, etc,a high-speed demodulation system of the fiber optic pressure sensor has been developed and a pressure testing platform has been built.The experiment results indicate that the pressure measurement range of this system can go up to 260kPa,with measured accuracy close to 0.1%F.S., resolution to 10Pa and dynamic response to 5kHz.

Fabry-Perot; Fiber optic pressure sensor; Volume phase grating; Linear array detector; Spectrum analysis

2016-11-15；

2017-02-01

國家自然科學(xué)基金(61401414)

劉彥超(1989-),男,在讀研究生,主要從事光纖傳感方面研究工作。E-mail:lyc2588@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.04.016

TN253

A

2095-8110(2017)04-0103-06