波分复用光纤光栅振动传感网络解调系统研究

论文摘要

近20年来,光纤传感器因其质量轻、体积小、灵敏度高等优点而被广泛应用在传感和测量领域。而光纤布拉格光栅（FBG）传感器作为光纤传感器的一类产品除了具备以上特点外,还具有对光强波动不敏感、测量精度高、重复性好,利用波分复用、时分复用技术易于组建传感网络等独特优点,是目前光纤传感技术领域研究的热点之一。目前基于缓变参量测量和波分复用分布式传感网络技术已经趋于成熟,而在许多领域迫切需要利用光纤光栅传感器实现快速、瞬态信号的测量。如脉冲强磁体内部线圈在通电瞬间的应力变化量测量,由于脉冲强磁体工作在液氮、强电磁场的环境下,其内部空间狭小,一般传统的电类传感器无法嵌入到磁体线圈内部,而且电类传感器无法串接导致引线数量庞大、易受电磁干扰；航空发动机运行时旋转叶片的在线健康监测；对防爆条件要求苛刻的化工设备故障、储油罐或石油管道的泄漏诱导的瞬态应变或振动监测；用光纤光栅实现加速度传感等。以上情况的瞬态应变和频谱信息对研究设备结构的稳定性、安全性和完整性显的尤为重要。目前制约光纤光栅测量高频振动或者瞬态应变的关键技术问题是波长信号的解调。传统的波长解调设备采用可调谐F-P滤波器作为波长选择器件,而可调谐F-P滤波器一般采用压电陶瓷驱动的机械结构,因此扫描频率一般只有几千Hz。本着以服务实际工程需要的原则,本课题研究设计了一套基于边缘滤波技术的光纤光栅高速振动传感网络解调系统。因为基于边缘滤波原理,不需要可调谐F-P滤波器循环扫描,解调速度可以达到数十千Hz；采用闭环反馈系统和算法处理可以自动跟踪光纤光栅边缘线性区域而避免不便的手动调谐；可调谐F-P滤波器的掺铒光纤环形激光器输出作为波长参考,通过调谐输出波长可以实现网络式测量。论文的主要内容包括：简述了光纤布拉格光栅传感的基本原理、国内外发展现状。重点介绍了国内外在光纤光栅解调技术方面的发展现状。对目前几种常用的光纤光栅传感器解调技术从原理和数学角度进行了详细描述,比较了各种方案的优缺点和适用范围。在光纤光栅传感技术理论分析与研究的基础上,设计了一种基于边缘滤波原理的光纤光栅振动传感网络解调系统。研制了可用于光纤光栅振动解调系统的可调谐窄带光源。分别设计了ASE加FP滤波器输出的窄带光源和可调谐掺铒光纤环形腔激光光源。对这两种光源进行了比较,选择适合用于边缘滤波解调的可调谐窄带光源。完成系统各部分硬件电路的设计,如980nm泵浦源驱动电路、FP扫描驱动电路、光电转换电路。完成系统光路的设计。数据采集和处理使用NI采集卡,用LabView设计了整个系统数据采集和处理软件。对光强扰动影响分别采用三种不同的解决方法,对每种方案的优缺点做了深入的分析。结合高频光纤光栅振动传感器评估了系统的性能,对解调系统的动态测量范围、灵敏度和传感网络测量能力分别做了相应的测试实验。证明整个系统方案具有大动态范围、高灵敏度、波分复用式测量及成本低的特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 光纤光栅的传感原理
• 1.3 国内外发展现状
• 1.3.1 光纤光栅传感技术应用现状
• 1.3.2 光纤光栅动态传感技术研究现状
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 光纤光栅解调技术
• 2.1 匹配光纤光栅可调谐滤波法
• 2.2 边缘滤波解调法
• 2.3 可调谐Fabry-Perot（F-P）滤波解调法
• 2.4 非平衡Mach-Zehnder干涉法
• 2.5 迈克尔逊干涉解调法
• 2.6 本章小结
• 第3章 光纤光栅振动传感网络解调系统研究
• 3.1 光纤光栅振动传感网络解调系统设计方案及工作原理
• 3.1.1 光纤光栅振动传感网络解调系统组成部分
• 3.1.2 光纤光栅振动传感网络解调系统边缘滤波工作原理
• 3.1.3 光纤光栅振动传感网络解调系统网络测量工作原理
• 3.2 可调谐窄带光源的研究
• 3.2.1 放大自发辐射宽带光源
• 3.2.2 可调谐环形腔掺铒光纤激光器
• 3.3 光纤光栅振动传感网络解调系统硬件研制
• 3.3.1 980nm泵浦源驱动电路设计
• 3.3.2 FP驱动电路设计
• 3.3.3 光电探测电路设计
• 3.4 光纤光栅振动传感网络解调系统软件开发
• 3.5 抗光强扰动研究
• 3.5.1 引入参考光路相除法
• 3.5.2 采用光开关时分复用法
• 3.5.3 软件算法处理
• 3.6 本章小结
• 第4章 光纤光栅振动传感网络解调系统测试实验
• 4.1 光纤光栅振动传感网络解调系统组成
• 4.2 光纤光栅振动传感网络解调系统测试实验
• 4.2.1 光纤光栅振动传感网络解调系统单点测试实验
• 4.2.2 光纤光栅振动传感网络解调系统灵敏度对比实验
• 4.2.3 光纤光栅振动传感网络测试实验
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢