基于分组测量和边沿滤波的FBG传感系统研究

发布时间：2017-06-05 06:02

  本文关键词：基于分组测量和边沿滤波的FBG传感系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：光纤通信技术的发展带动了各种光纤器件的研发和生产,这些器件被各地学者们不断研究并逐渐引入到光纤传感的应用中来。在这些有源和无源光器件中,光纤布拉格光栅是一个典型的器件,它可以将外界许多种类的物理参量转换成其反射光的中心波长信息。相比于传统传感器具有多种优势,可以有效地避免外界许多无关因素的影响,不受电磁辐射的干扰。同时光纤布拉格光栅和作为传输介质的光纤成本都十分低廉,空间体积小,适用于多种行业。随着其应用地不断推广,现在面临的一个重要问题是,需要在单个系统中复用更多的光栅。本文的研究内容就是如何提高光纤光栅传感系统的复用容量和传感距离。本文从基本的模式耦合原理入手,计算了光栅反射率与光栅参数之间的关系,并由此给出光纤光栅温度及应力传感模型的推导过程。分别介绍了目前常用的波长解调方法和光纤光栅复用方法,并比较了它们的优劣势,在此基础上提出了本文所设计的新型光纤光栅复用传感系统。为了满足大容量复用的设计需求,该系统采用了目前应用最为广泛的时分复用技术和弱反射光纤光栅,弱反射光栅可以有效地减少多反射和光谱阴影造成的串扰、提升系统复用能力。但是由于探测器的测量动态范围有限,导致了系统的测量距离以及复用数量受到了限制。为了解决这一问题,本系统采用了分组测量的方法：对光纤上的光栅按照它们的远近位置分成多个编组,使用低功率的输入光测量距离近的分组、高功率的输入光测量距离远的分组。保证每组光栅的反射光强在探测器单次探测的动态范围内,实现了对探测器动态范围的重复利用。要实现分组测量法中一次测量一个编组光栅的能力,还需要一个快速实时的波长解调系统与之进行配合。本文系统采用边沿滤波法实现这一功能。边沿滤波器的滤波谱随输入光波长线性变化,光在经过滤波器时其波长信息被写入到光强中,通过探测输出光功率就能解调出输入光的波长。通过结合使用分组测量和边沿滤波,本文成功实现了一个长距离、大容量的快速光纤光栅传感系统。本文随后对系统进行了测试,使用可调谐激光器扫频,标定了传感光栅串的反射率和中心波长数据。使用几个不同的边沿滤波器进行温度传感测试,在其中选取了最佳的滤波器,获得了良好的温度解调线性度。通过实验比较了分组测量法和普通测量法的效果,结果表明分组测量法能够有效提升系统的测量距离和信噪比。最后,本文根据系统的测试结果推算了系统的最大性能,介绍了分组的数量和每组长度的选取方法,分析了系统中主要的误差来源和缺点并给出了对应的改进方法。
【关键词】：光纤光学 光纤光栅传感复用 分组测量 边沿滤波 时分复用
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.1;TP212
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 引言13
• 1.2 光纤光栅发展历程13-14
• 1.3 光纤光栅传感技术研究现状14-19
• 1.3.1 光纤光栅的分类14-15
• 1.3.2 光纤光栅传感器的优势15
• 1.3.3 光纤光栅传感器的种类15-17
• 1.3.4 光纤光栅传感器的研究现状17-18
• 1.3.5 大容量光纤光栅复用技术的研究现状18-19
• 1.4 本文主要研究内容19-21
• 第二章 光纤布拉格光栅原理和相关技术21-35
• 2.1 模式耦合理论21-25
• 2.2 传感机理及模型25-27
• 2.2.1 光纤光栅温度传感原理25-26
• 2.2.2 光纤光栅应变传感原理26-27
• 2.3 光纤光栅解调技术27-31
• 2.3.1 直接调解法27-28
• 2.3.2 边沿滤波法28-29
• 2.3.3 干涉解调法29
• 2.3.4 匹配光栅法29-30
• 2.3.5 Fabry-Perot滤波器法30-31
• 2.4 光纤光栅复用技术31-33
• 2.4.1 时分复用31-32
• 2.4.2 波分复用32
• 2.4.3 空分复用32-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第三章 大容量光纤光栅复用传感系统设计35-43
• 3.1 复用系统方案设计36-39
• 3.1.1 分组测量原理36-38
• 3.1.2 边沿滤波原理38-39
• 3.2 复用系统各部分组成及其功能39-42
• 3.3 本章小结42-43
• 第四章 系统测试与分析43-63
• 4.1 光栅串标定43-47
• 4.1.1 光栅串标定系统43-44
• 4.1.2 中心波长标定44-45
• 4.1.3 反射率标定45-47
• 4.1.4 光栅串标定结果47
• 4.2 边沿滤波器的选择47-51
• 4.3 实验数据处理51-57
• 4.3.1 分组测量52-55
• 4.3.2 温度测量55-57
• 4.4 实验结果分析57-61
• 4.4.1 分组测量方法分析57-59
• 4.4.2 温度测试分析59-60
• 4.4.3 误差分析60-61
• 4.5 本章小结61-63
• 第五章 总结与展望63-65
• 攻读硕士学位期间取得的成果65-67
• 致谢67-69
• 参考文献69-73

【参考文献】

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  本文关键词：基于分组测量和边沿滤波的FBG传感系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：423041