光纤光栅传感技术的研究

论文摘要

光纤光栅具有体积小、重量轻、可集成、抗电磁干扰,并且能够实现传感信息波长编码等特点,在传感领域有着广泛的应用前景,近年来在石油化工、电力工业、医学以及能源等领域都有着实际的应用。光纤光栅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,很难应用于实际。因此开发出精度高、稳定性好、价格便宜的光纤光栅解调器是将光纤光栅传感技术实用化和产业化的关键。本文是一个涉及到光、机、电的复杂研究系统,以光纤光栅在应力传感技术中的应用为研究方向,结合数据采集卡,设计了一种基于匹配滤波法的光纤光栅解调系统。所做的主要工作包括:首先对光纤光栅传感技术的研究现状和仍存在的关键技术问题进行了回顾和分析。对光纤布喇格光栅的基本机理从理论上进行了分析,系统研究了光纤光栅的传感原理。对现有的典型的光纤光栅解调方法进行概述,对各自优缺点进行了分析比对,结合实际提出光纤光栅匹配解调方案进行解调。对构成解调系统的硬件系统和软件系统进行了设计和分析。设计并制作了基于悬臂梁的光纤光栅调谐装置,并对该装置进行了理论和实验研究。将设计的系统方案应用于应力测量,进行了传感和解调实验,并对实验结果进行了处理和分析,验证所提出的光纤光栅解调方案的可行性。基于匹配滤波法的光纤光栅解调系统具有光路简单可靠、成本低、操作便捷等特点,具有一定的实用价值。本论文本的研究工作对于光纤光栅传感和悬臂梁调谐这两种技术的进步、发展和实用化,具有重要的现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出及意义
• 1.2 光纤光栅的发展动态
• 1.3 光纤光栅的分类及在传感方面的应用
• 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 本论文的主要内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 光纤光栅的基本理论及传感原理
• 2.1 FBG的基本原理
• 2.2 FBG的应变传感模型
• 2.3 FBG的温度传感模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 FBC传感解调技术及复用技术
• 3.1 FBG的信号解调技术
• 3.1.1 直接解调法
• 3.1.2 可调谐法布里-珀罗滤波解调法
• 3.1.3 可调匹配光栅滤波解调法
• 3.1.4 非平衡M-Z干涉解调法
• 3.1.5 可调谐窄带光源法
• 3.1.6 边缘滤波法
• 3.2 FBG传感网络的典型复用技术
• 3.2.1 WDM复用技术
• 3.2.2 TDM复用技术
• 3.2.3 FDM复用技术
• 3.2.4 SDM复用技术
• 3.3 本章小结
• 第四章 光纤光栅传感解调的实验研究
• 4.1 匹配光纤光栅滤波解调原理
• 4.2 匹配光栅步进电机线性调谐结构设计
• 4.2.1 悬臂梁调谐原理
• 4.2.2 调谐装置
• 4.3 光纤光栅匹配解调系统的硬件设计
• 4.3.1 系统实验结构示意图
• 4.3.2 光源
• 4.3.3 耦合器
• 4.3.4 光纤光栅
• 4.3.5 光谱分析仪
• 4.3.6 光电探测器
• 4.3.7 信号调理电路设计
• 4.3.8 数据采集设计
• 4.3.9 步进电机驱动设计
• 4.4 光纤光栅匹配解调系统的软件设计
• 4.4.1 寻峰算法及编程实现
• 4.4.2 数字五点三次平滑算法
• 4.4.3 Shell排序法找每段采集数据内峰值
• 4.4.4 最小二乘法进行数据拟合
• 4.5 本章小结
• 第五章 实验的结果与分析
• 5.1 光纤光栅应力传感特性测试
• 5.2 光纤光栅调谐装置特性测试
• 5.3 系统输出功率谱测量
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢