光纤布拉格光栅传感解调系统研究

论文摘要

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器是利用光栅Bragg波长对温度、应力的敏感特性而制成的一种新型光纤传感器,其除具有传统电类传感器的功能外,还具有抗电磁干扰、测量范围大、动态范围广、稳定性好等优点,因此,被广泛应用于各种大型复合材料和混凝土的结构监测、智能材料的性能监测、电力工业、消防和化工等领域。光纤光栅传感器的解调技术是目前光纤光栅传感技术研究领域的重点和难点之一,也是国内外许多研究机构的研究热点之一。对于光纤光栅的波长解调技术即光纤光栅波长微小偏移量的检测技术来说,传统的波长检测仪器存在体积大、精度低、价格昂贵、难以应用于实际的传感解调系统等不足,因此,开发高精度、低价格的解调仪器成为光纤光栅传感器大量应用于实际的关键。本文对光纤Bragg光栅的传感解调系统进行了研究,主要内容如下:1.简要介绍了光纤光栅的发展动态、分类和应用现状;2.系统介绍了光纤光栅的传感原理和主要光学性能,并给出了光纤光栅的应变传感模型、温度传感模型以及应变和温度的交叉传感模型;3.对目前存在的各种解调方法的原理及其优缺点进行了分析,接着提出了基于步进电机调谐的光纤光栅匹配解调技术,并分别对传感光栅波长变化量与匹配光栅波长变化量的关系、光功率与光纤光栅反射中心波长的关系进行了理论分析和推导;4.为了实现高速光纤Bragg光栅信号解调,设计了基于DSP系统(包括DSP、单片机及其外围器件)的光纤光栅匹配解调系统,其中包括硬件设计和软件设计;5.利用所设计的光纤Bragg光栅传感解调系统,进行了光纤Bragg光栅的应变特性实验、匹配光栅的步进电机调谐实验以及光纤Bragg光栅传感信号解调实验,并对实验结果进行了分析和处理,验证了所提出的光纤光栅匹配解调方案的可行性;6.对光纤光栅传感解调系统精度偏低的原因进行了分析,并提出了改进意见。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景、目的和意义
• 1.2 光纤光栅的发展动态
• 1.3 光纤光栅的分类
• 1.4 光纤光栅的应用现状
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第二章 光纤光栅传感原理
• 2.1 光纤光栅的基本光学性能
• 2.2 光纤光栅的应变传感模型
• 2.2.1 均匀轴向应力作用下的光纤光栅传感模型
• 2.2.2 均匀横向应力作用下的光纤光栅传感模型
• 2.3 光纤光栅的温度传感模型
• 2.4 光纤光栅应变和温度交叉传感模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 光纤光栅传感器的信号解调
• 3.1 引言
• 3.2 光谱仪检测法
• 3.3 干涉法
• 3.3.1 非平衡迈克尔逊干涉仪解调法
• 3.3.2 非平衡马赫-曾德干涉仪解调法
• 3.4 滤波法
• 3.4.1 可调光纤F-P滤波解调法
• 3.4.2 线性边带滤波解调法
• 3.4.3 匹配滤波法
• 3.5 可调窄带光源解调法
• 3.6 光栅色散解调法
• 3.7 基于步进电机调谐的光纤光栅匹配解调技术
• 3.7.1 基本原理
• 3.7.2 匹配解调技术分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 光纤光栅传感解调系统的硬件设计
• 4.1 解调系统的总体设计与工作原理
• 4.2 解调系统主要光学器件的选择
• 4.2.1 光源
• 4.2.2 3dB耦合器
• 4.2.3 光纤Bragg光栅
• 4.2.4 光电探测器
• 4.2.5 光谱仪
• 4.3 信号调理电路设计
• 4.3.1 前置放大电路
• 4.3.2 二级放大及滤波电路
• 4.4 信号采集电路设计
• 4.5 单片机的硬件电路设计
• 4.5.1 单片机的选型与简介
• 4.5.2 单片机部分的功能实现
• 4.6 DSP的硬件电路设计
• 4.6.1 DSP芯片的选型与简介
• 4.6.2 DSP部分的功能实现
• 4.7 本章小结
• 第五章 光纤光栅传感解调系统的软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 系统的软件设计
• 5.2.1 DSP部分的软件设计
• 5.2.2 单片机部分的软件设计
• 5.3 解调系统的拟合算法
• 5.4 本章小结
• 第六章 光纤光栅传感解调系统的实验及分析
• 6.1 光纤光栅的应变特性实验
• 6.2 匹配光栅的步进电机调谐实验
• 6.3 光纤光栅传感解调系统的性能测试
• 6.3.1 匹配方案可行性验证
• 6.3.2 解调系统的性能测试
• 6.4 光纤光栅传感解调系统的精度分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢