光纤光栅匹配法解调系统研究与设计

论文摘要

光纤布喇格(Bragg)光栅(FBG)是国际上新兴的一种在光纤通讯、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。当前FBG的制作与应用研究成为世界各国光纤技术研究的热点和重点。作为传感元件,光纤光栅将被感测信息转化为其反射波长的移动,即波长编码,因而不受光源功率波动和系统损耗的影响,另外,光纤光栅具有可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀等特点,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,这是其他传感元件所不及的。FBG传感器的关键就在于精确的检测布喇格反射波长的微小移动,即对波长编码信号进行解调,利用高精度的光谱分析仪可以达到这一目的,但由于其体积庞大,价格昂贵,很难用于实际应用中。开发出高精度、低成本的FBG解调器是将FBG传感器产业化的关键。目前国内不少部门和研究单位对其解调技术进行了很多研究,但是大多数处于实验室研究阶段,离实用化,工程化,产品化的标准还有相当距离。本文提出了一种基于匹配光纤光栅扫描滤波解调的光纤光栅解调方案,利用单片机控制步进电机对匹配光栅施加压力和拉力从而与传感光栅匹配,达到对温度、应变等传感信号的解调。具体的研究内容如下:介绍了光纤光栅的基本机理,主要特性,系统研究了光纤光栅传感原理。对现有的光纤光栅解调方案进行了分析和比较,提出了新的解调方案:即采用基于悬臂梁的匹配法光纤光栅解调系统来对传感信号进行解调。对构成解调系统的硬件和软件进行了设计和分析。并应用此方案完成了应力传感解调实验,就实验结果进行处理和分析,验证所提出的光纤光栅解调方案的可行性,并在实验结果的基础上总结本系统的优缺点,并提出了改进意见。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤光栅的发展动态
• 1.3 光纤光栅的分类和在传感方面的应用
• 1.3.1 光纤光栅的分类
• 1.3.2 光纤光栅传感器的应用
• 1.4 光纤光栅解调技术国内外发展现状
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第二章 光纤光栅基本原理和传感原理
• 2.1 光纤光栅的结构及基本原理
• 2.1.1 光纤的结构
• 2.1.2 光纤光栅的结构
• 2.1.3 光纤布喇格光栅的机理
• 2.2 光纤光栅传感原理
• 2.2.1 光纤光栅的传感特性
• 2.2.2 光纤光栅的温度特性
• 2.2.3 光纤光栅的轴向应力特性
• 2.3 本章小结
• 第三章 光纤光栅信号解调技术
• 3.1 直接解调系统
• 3.2 窄带激光激射扫描系统
• 3.2.1 锁模调制法
• 3.2.2 环形腔激射法
• 3.3 宽带光源滤波扫描系统
• 3.3.1 匹配滤波法
• 3.3.2 可调谐F-P滤波法
• 3.4 线性边带滤波法
• 3.5 干涉解调系统
• 3.5.1 非平衡马赫—曾德干涉仪法
• 3.5.2 高双折射光纤环镜干涉解调法
• 3.5.3 非平衡迈克尔逊干涉仪解调法
• 3.6 本章小结
• 第四章 传感解调系统设计
• 4.1 解调方案选择
• 4.1.1 解调原理
• 4.1.2 悬臂梁特性研究
• 4.2 光纤光栅匹配系统的组成
• 4.3 解调系统硬件设计
• 4.3.1 光路部分
• 4.3.2 电路部分
• 4.4 通信接口电路
• 4.4.1 串行通信概述
• 4.4.2 电气特性
• 4.4.3 接口信号
• 4.5 系统软件设计
• 4.5.1 单片机部分软件设计
• 4.5.2 上位机程序部分
• 4.6 本章小结
• 第五章 实验与结果分析
• 5.1 准备工作
• 5.2 匹配光纤光栅调谐特性测试
• 5.3 匹配解调系统实验
• 5.4 实验结果处理
• 5.4.1 数据处理
• 5.4.2 标定实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢