高在青,张示城,钮月萍,龚尚庆

(华东理工大学 理学院,上海 200237)

0 引 言

超声波传感器在非破坏结构健康检测、医学检测以及三维测量等方面具有重要应用意义[1]。近年来,基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)的超声波传感器因其具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强和扩展性强等优势越来越受到广泛的关注[2-3]。

超声波检测的原理是测量超声波引起的FBG光谱移动,需要具有亚微应变的分辨率和高于千赫兹的带宽,其关键技术在于实现FBG光谱信号的高精度解调。文献[4-5]利用宽带光源和匹配FBG进行解调,但其系统噪声较大；文献[6-7]报道了可利用窄带光源减小系统噪声,但成本较高且无法多路复用,缺乏实用价值；光谱信号解调的灵敏度取决于光谱线宽,文献[8-9]利用π相移FBG(π-phase shifted-FBG,π-FBG)有效提高了探测灵敏度,然而π-FBG的窄线宽导致解调系统量程很小；为了提高量程,文献[10]提出了利用双法布里珀罗(Fabry Perot,FP)滤波器解调方案,但该方案中仅将量程提高了约两倍,且系统复杂、成本高,无法扩展。上述方案主要都是基于窄带边缘滤波法[1],普遍存在测量灵敏度和量程相互制约的问题。

为了解决上述问题,本文在文献[10]的基础上提出了一种基于FP腔和π-FBG的大量程解调方案。本文在理论上详细分析了利用FP腔的多个纵模和可调谐滤波器进行解调的原理,该方案具有高灵敏度,同时可以利用多个纵模构建解调器阵列有效地提高量程。本文还通过耦合模理论进行了数值仿真分析,仿真结果表明,本方案还具有很好的线性度且响应带宽可达到数百k Hz。……