用于動態(tài)應變測量的光纖布拉格光柵波長解調技術研究.pdf

1、光纖布拉格光柵(FBG)傳感器被認為是21世紀最有前途的光纖傳感器件,作為新型的光纖傳感器件,它除具有光纖傳感器的優(yōu)點,如抗電磁干擾、本質安全等,還具有許多獨特的優(yōu)勢:傳感信息量波長調制,不受光源光強波動、線路損耗的影響,傳感重復性和穩(wěn)定性好,可方便地實現網絡化測量:其自參考特性使它能夠實現絕對測量。在緩變參量測量和網絡化傳感技術都已經比較成熟,并且已得到了廣泛應用。而在許多場合,非常需要用FBG傳感器測量快速、瞬態(tài)應變或振動。如大型電

2、力設備正常運行時的電磁振動和故障狀態(tài)下的瞬態(tài)結構應變,由于特殊的電磁環(huán)境,以前無法實現測量；對防爆條件要求苛刻的化工設備故障、儲油罐或石油管道的泄露誘導的瞬態(tài)應變或振動監(jiān)測:需要長距離傳輸測量信號的海底纜線、石油管道的健康狀況監(jiān)測；用FBG實現加速度傳感；FBG傳感器用于分析彈道測試引起的環(huán)境波動和在破壞性實驗結構破壞引起的振動波等。上述擾動的幅度和頻率信息對研究結構的健康狀況、安全性、穩(wěn)定性和完整性尤為重要。用FBG測量快速或瞬態(tài)應變

3、,需要高速波長解調方法。這類事件的特點是頻率高,或持續(xù)時間短,利用目前常用的掃描解調方法,如法.珀干涉儀,其掃描頻率才千赫茲,根本無法實現千赫茲及以上的解調。不用掃描的無源自參考解調技術為高速解調的理想選擇。
　　 本文的主要工作是FBG動態(tài)應變測量的波長.光強轉換方式解調方法的理論分析和實驗研究。該方法雖在文獻中已有報道,但很多理論和實踐問題沒有得到很好的解決,已報導的瞬態(tài)應變和振動測量的精度不高、頻率較低。針對目前存在的問題

4、,本文分別利用FBG和CWDM光學帶通濾波器的邊沿和非平坦化的ASE功率譜的單調區(qū)間實現對傳感FBG的波長解調。建立了光學帶通濾波器邊緣相關解調方法的解調關系。基于該解調方法,分別設計、實現了三種FBG動態(tài)應變波長解調系統(tǒng),對系統(tǒng)特性進行了全面評價。針對系統(tǒng)存在溫度波動造成系統(tǒng)無法工作問題,提出并實現了基于PID的工作點自動跟蹤系統(tǒng)的解決方案。同時實現了動態(tài)應變和溫度參數同時測量。用多項式擬合相關解調特性曲線,實現了非線性系統(tǒng)測量動態(tài)應

5、變波形重建,有效的減小了非線性失真。本文的主要工作有:
　　 1.鑒于光學帶通濾波器邊緣相關技術是非常理想的FBG中心波長寬帶解調技術,深入研究了基于FBG光學帶通濾波器邊緣的相關解調方法。建立了光學帶通濾波器邊緣相關解調關系。利用FBG光學帶通濾波器邊緣相關解調方法,設計并實現靈敏度高、頻帶寬、響應時間短的FBG動態(tài)應變波長解調系統(tǒng)。針對FBG邊緣相關解調方法解調特性曲線的非線性,非線性失真隨被測量的增大而增大,提出用多項式擬

6、合相關解調傳遞特性曲線,根據系統(tǒng)輸出波形實現動態(tài)應變波形重建,實時求解被測應變,減小了非線性失真。在時域和頻域分析了系統(tǒng)輸出及經波形重建后的應變波形,結果顯示被測應變的非線性失真得到明顯改善。利用PZT作為瞬態(tài)應變模擬器,評價了該相關解調系統(tǒng)的動態(tài)響應特性。
　　 2.基于FBG光學帶通濾波器邊緣的相關解調方法實現的系統(tǒng)的動態(tài)范圍小,針對匹配FBG制造困難和溫度造成的匹配光柵失配問題,提出參考FBO波長自動跟蹤方法,該方法大大降

7、低了對匹配FBG制造技術的要求、提高系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性。使系統(tǒng)在寬溫度范圍內正常工作。并實現動態(tài)應變和測量點溫度同時測量。
　　 3.提出利用FBG邊緣相關波長解調法的高靈敏度,開發(fā)了基于等應變梁的高諧振頻率、高g值的加速度傳感器,具有廣闊的應用前景。
　　 4.設計用粗波分復用器(CWDM)作為相關濾波器及采用非平坦化ASE光源的邊緣實現FBG傳感寬帶解調系統(tǒng),實現大測量范圍和溫度穩(wěn)定性好的動態(tài)應變測量系統(tǒng)。進行了系統(tǒng)的特