光纤法珀压力传感器数据解调及改进算法研究

光纤法珀压力传感器数据解调及改进算法研究

曹群;贾平岗;杨兵;张海瑞;洪应平;熊继军

【摘要】Based on the sensing principle of optical fiber F-P pressure sensor,a kind of multi-peaks average improved algo-rithm better than peak-peak method was proposed in view of the fringe counting method during phase demodulation method.Data preprocessing was realized through filter function and then the total local extremum points of one cycle were found.According to Grubbs criterion,gross errors were eliminated to obtain the relationship curve between cavity length change and pressure applied.On the basis,theoretical simulation was established using MATLAB and related experiments were taken on after the implementation of optical fiber sensing pressure testing system.By employing the designed demodulation method to complete the comparative analysis of the experimental results,the improved algorithm can significantly inhibit the indeterminacy of strain measurement system and en-hance the stability of the cavity length,thus confirming the method of MEMS optical fiber pressure sensing system performs a poten-tial high possibility.%基于光纤法珀压力传感器的基本原理，针对相位解调方法中的条纹计数法，提出了优于双峰解调法的多峰平均改进算法，通过滤波实现数据预处理，进而寻找周期内所有数据点的局部极值点，然后根据格拉布斯准则剔除粗大误差，最终得到腔长变化与压力的关系曲线。在此基础上通过MATLAB进行理论仿真，搭建光纤传感压力测试系统并进行了相关实验，利用所设计的解调方法对实验数据进

行处理，通过对比分析实验结果可知，改进算法可以明显的抑制应变测量系统误差，提高腔长的稳定性，证实了该改进算法具有较高的可行性。

【期刊名称】《仪表技术与传感器》

【年(卷),期】2015(000)012

【总页数】4页(P15-18)

【关键词】光纤法珀传感;数据处理;光谱解调;改进算法;多峰计算;MATLAB

【作者】曹群;贾平岗;杨兵;张海瑞;洪应平;熊继军

【作者单位】中北大学，电子测试技术重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051;中北大学，电子测试技术重点实验室，仪器科学与

动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051;中北大学，电子测试技术重点实

验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051;中北大学，电

子测试技术重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学，电子测试技术重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051;中北大学，电子测试技术重点实验室，仪器科学与动态

测试教育部重点实验室，山西太原 030051

【正文语种】中文

【中图分类】TP212

光纤法布里-珀罗传感器由于其体积小，灵敏度高，不受电磁场和恶劣环境的影响，适合于远程信号处理以及可以复用等众多优点，近几年来成为光纤传感领域的研究热点，在民用基础设施和军事上得到了广泛的应用[1-2]。在光纤法-珀传感测量系统中，腔长解调是整个测量系统的重要组成部分，它直接影响着系统的稳定性和准

确性。按照调制解调方法的不同，可以分为强度解调和相位解调两类[3-5]，其中

相位解调技术通过对输出光波形的分析来计算应变值，由于其精度高、动态范围大、不易受外界干扰的优点，成为目前较为普遍采用的方法。光纤法珀传感器的相位解调方法主要有条纹计数法、离散腔长变换法、傅里叶变换法以及菲索干涉仪法[6-8]等。条纹计数法中多采用峰-峰法，通过公式计算直接得到腔长，概念明确、结果

直观且便于实现，但其准确性由干涉输出条纹的峰值波长准确性决定。任何影响峰值处波长的因素，如光谱的离散采样和峰值计算等环节都将对法布里-珀罗腔腔长

求解的准确性造成负面影响，因而这种方法准确率低，并且随着光谱信息周期的增多而带来更多的误差。因此，为了减小在实际测量中的数据误差，提高解调精度，在条纹计数法的基础上提出了一种运算简单且准确度更高的多峰平均改进算法，利用MATLAB进行了理论仿真并搭建了相关实验系统，通过对比分析测试结果，证实了改进算法的可行性与优越性。

光纤法珀压力传感器基于多光束干涉原理，其结构如图1所示。光源发出的入射

光通过光纤耦合进入传感器内，在F-P腔体的上下表面来回反射，形成多光束干涉，部分反射光沿着原路返回，相遇后再次发生干涉被光谱仪所接收。干涉信号与腔长L有关，当膜片受到外界压力时会沿着轴向产生形变，导致法珀腔腔长变化，从而引起干涉信号发生变化。通过测量干涉信号的变化则可推导出腔长变化，最终进行解调得到压力信息变化数值，实现压力传感。

若2个镜面的反射率皆为R，入射光波长与强度分别为λ、I0,在不考虑损耗的情况下根据多光束干涉原理，反射光的光强分布为

当光纤法-珀腔的2个端面反射率较小时，可以用双光束干涉代替多光束干涉，此时，

式(1)就可以近似为式(3)

在小挠度情况下，根据弹性力学原理，硅敏感膜片受到压力后变形情况如公式(4)