基于可调谐光滤波器的分布式光纤光栅传感技术研究

论文摘要

光纤布拉格光栅(FBG)是一种新兴的光纤无源器件,在光纤通讯、光纤传感等领域有着广泛的应用,具有可靠性好,抗电磁干扰,抗腐蚀等特点。除此之外,FBG还具有一种独特的优点：易于将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列,实现分布式传感。本文首先对光纤光栅传感器的基本理论和解调技术进行了简单的介绍,接着重点研究了光纤布拉格光栅测量温度的传感原理,建立了温度传感的数学模型,并且进行了温度传感特性的实验研究,实验得出FBG的反射中心波长与温度变化量之间存在着良好的线性关系。其次,在单点传感技术的基础上重点研究了分布式光纤光栅传感系统的工作原理,详细讨论了几种典型的分布式光纤光栅传感解调技术。在对各种解调技术进行分析比较后,确定了本论文的设计方案——采用可调谐光滤波器对分布式光纤光栅传感系统进行解调,详细说明了其工作原理。根据此方案,利用3个FBG光栅进行了分布式的光栅阵列模拟实验,通过实验得到本传感系统可以复用40个传感器,其可靠传输距离约为5lkm。最后利用可调谐光滤波器对分布式传感光栅分别进行静态和动态跟踪解调,验证了方案的可行性。最后,针对分布式传感系统的波长解调技术,设计了相应的信号处理方案。其硬件解调电路主要包括：光电前置放大电路、滤波电路、数据采集、显示电路、串口通信电路等,并对光信号处理电路做了详细介绍。最后在对实验结果分析的基础上总结了本设计方案的优缺点,指出了系统存在的一些问题,并且给出解决存在问题的方法以及改进措施的建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 光纤传感技术概述
• 1.1.1 光纤光栅传感器的概述及特点
• 1.1.2 光纤光栅传感器的研究现状
• 1.2 光纤光栅的分类
• 1.3 光纤光栅传感实用化的技术难点
• 1.4 分布式光纤光栅传感器概述
• 1.5 本论文的主要研究方向与意义
• 2 光纤光栅的传感理论与FBG的温度特性实验
• 2.1 光纤光栅理论
• 2.2 均匀周期光纤布拉格光栅
• 2.3 光纤Bragg光栅传感特性的研究
• 2.3.1 FBG光栅的传感原理
• 2.3.2 FBG温度传感模型
• 2.4 FBG温度传感器的特性分析
• 2.4.1 实验装置
• 2.4.2 实验结果与分析
• 2.5 本章小结
• 3 光纤光栅传感器信号解调技术研究
• 3.1 光纤光栅传感解调方法
• 3.1.1 光谱仪分析法
• 3.1.2 波长扫描法
• 3.1.3 匹配光栅滤波法
• 3.1.4 光学滤波法
• 3.2 波长解调技术原理
• 3.3 分布式光纤光栅传感网络解调技术
• 3.3.1 分布式匹配光栅滤波解调
• 3.3.2 阵列波导光栅的分布式光纤光栅的快速解调法
• 3.4 分布式光纤光栅测温传感系统的结构设计
• 3.4.1 基于步进电机调谐匹配光栅的分布式光纤光栅传感系统
• 3.4.2 基于可调谐光滤波器的分布式光纤光栅传感系统
• 3.5 分布式光纤光栅传感解调方案
• 3.6 本章小结
• 4 分布式光纤光栅传感技术及解调方案实验分析
• 4.1 分布式光纤光栅传感网络复用技术概述
• 4.1.1 波分复用
• 4.1.2 时分复用
• 4.1.3 空分复用
• 4.2 光栅传感阵列的复用能力实验分析
• 4.2.1 分布式传感器复用实验系统组成
• 4.2.2 光纤光栅传感器复用实验方法
• 4.2.3 实验结果分析
• 4.3 单通道分布式传感传输距离实验
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 实验结果分析
• 4.4 利用可调谐光滤波器的分布式传感系统解调实验
• 4.4.1 实验系统的搭建
• 4.4.2 实验原理及方法
• 4.4.3 温度传感阵列的静态解调分析
• 4.4.4 温度传感阵列的动态解调分析
• 4.5 本章小结
• 5 光电检测及信号处理电路设计
• 5.1 光电探测器
• 5.1.1 常用的光电探测器
• 5.1.2 光电探测器的选型
• 5.2 前置放大电路的设计
• 5.2.1 AD620的特性
• 5.2.2 光电检测前置放大电路设计
• 5.3 RC有源低通滤波电路的设计
• 5.4.1 二阶低通滤波器的传递函数
• 5.4.2 电路元器件的参数确定
• 5.4 调零电路的设计
• 5.5 数据采集及测试系统的设计
• 5.5.1 数据采集控制电路设计
• 5.5.2 显示模块设计
• 5.5.3 单片机与PC机的串口通信电路设计
• 5.6 硬件抗干扰设计
• 5.7 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文