面向海洋应用的光纤光栅温度测量系统关键技术研究

发布时间：2017-08-18 03:14

  本文关键词：面向海洋应用的光纤光栅温度测量系统关键技术研究

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【摘要】：海水温度是海洋环境的重要参数,对其分布与变化的描述和分析在海洋监测和科学研究中都有着举足轻重的地位。光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器天然的抗电磁干扰、远距离传输、易大量复用、灵敏度高等特点使其在海洋探测中的应用逐渐引起人们的关注。本文以实现海洋高灵敏度、高精度、快速测温为目标,对相关理论和实现方法开展了一系列的深入研究。主要研究工作如下:第一,针对传统海洋测温传感器响应速度慢、线性度差等问题,研制一种适用于海洋温度测量的基于金属管和弹簧结构的FBG温度传感器,其具有线性度好、灵敏度高、精度高、响应速度快的特点。第二,针对现有光纤光栅测量系统解调速度慢、价格高、精度较低的问题,基于海洋测温需求提出一种体积小、成本低、响应速度快、精度高的基于FBGA(Fiber Bragg Grating Analyzer)的光纤光栅温度测量方法。该方法采用F-P热稳定标准具为参考光栅的波长校准算法,解决了FBGA自身波长稳定性和准确度差的问题,提高了系统的测试精度和稳定性。第三,针对FBG温度传感器的应用需求和设计目标,基于海洋工作环境通过实验研究对传感器进行设计优化。结果表明,研制的传感器完全避免了温度-应变的交叉影响,温度灵敏度为27pm/℃,响应时间可达58.5ms。第四,研制一种面向海洋应用的光纤光栅温度测量系统,并进行了温度测量系统的综合性能测试与分析,结果表明该测量系统具有较好的线性度、重复性和稳定性,能够满足±0.1℃测温精度和快速响应的要求。
【关键词】：海洋 光纤光栅 温度传感器 温度监测 FBGA
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P716
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 课题综述10-12
• 1.1.1 课题来源10
• 1.1.2 课题的提出10-11
• 1.1.3 课题目的和意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 传统海洋测温技术发展现状12-13
• 1.2.2 光纤光栅在海洋测温中的研究进展13-15
• 1.3 本文的主要研究工作和内容15-18
• 2 光纤光栅传感理论与解调技术18-28
• 2.1 光纤光栅传感原理18-21
• 2.1.1 温度传感原理19-20
• 2.1.2 应力传感原理20-21
• 2.1.3 温度-应力交叉敏感问题21
• 2.2 光纤光栅复用技术21-23
• 2.2.1 波分复用21-22
• 2.2.2 时分复用22-23
• 2.2.3 空分复用23
• 2.3 光纤光栅解调技术23-26
• 2.3.1 滤波法23-25
• 2.3.2 干涉法25-26
• 2.4 本章小结26-28
• 3 光纤光栅温度传感器研制28-50
• 3.1 海洋温度传感器测量需求28-29
• 3.2 典型FBG温度传感器的封装结构29-33
• 3.2.1 聚合物封装29-30
• 3.2.2 片式封装30-31
• 3.2.3 管式封装31-33
• 3.3 传感器研制33-45
• 3.3.1 材料选择34-38
• 3.3.2 结构设计38-39
• 3.3.3 封装工艺39-41
• 3.3.4 铠装工艺41-42
• 3.3.5 灵敏度计算42-43
• 3.3.6 响应时间分析与计算43-45
• 3.4 传感器稳定性分析45-48
• 3.5 本章小结48-50
• 4 光纤光栅温度测量系统研究50-64
• 4.1 光纤光栅测温系统总体结构50
• 4.2 光纤光栅温度传感器50-51
• 4.3 高精度解调仪系统51-58
• 4.3.1 FBGA模块及其解调原理51-55
• 4.3.2 宽带光源55-56
• 4.3.3 单模光纤56
• 4.3.4 光纤耦合器56-57
• 4.3.5 隔离器57-58
• 4.3.6 光开关58
• 4.4 实时动态校正测量系统58-63
• 4.4.1 基于F-P滤波器的串联实时动态校正系统58-60
• 4.4.2 基于F-P滤波器的并联实时动态校正系统60-61
• 4.4.3 基于FBGA的实时动态校正系统61-63
• 4.5 本章小结63-64
• 5 光纤光栅温度测量系统性能测试与分析64-78
• 5.1 温度灵敏度测试64-66
• 5.2 响应时间测试66-70
• 5.2.1 响应时间模拟仿真66-68
• 5.2.2 响应时间测试实验68-70
• 5.3 压力敏感性测试70-74
• 5.4 温度特性测试74-75
• 5.5 系统重复性测试75-76
• 5.6 MOI解调实验结果对比分析76-77
• 5.7 本章小结77-78
• 6 总结与展望78-80
• 6.1 全文工作总结78
• 6.2 研究展望78-80
• 参考文献80-86
• 作者简历86-88
• 学位论文数据集88

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本文编号：692409