基于可调谐激光器的FBG解调仪研制及应变检测应用研究

摘要

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)是具有灵敏度高、质量轻、抗干扰能力强等优点的光纤传感器，被广泛应用于航空航天、桥梁隧道等传感领域。应变检测是光纤光栅传感器最广泛的应用之一。光纤光栅是波长调制型光纤传感器，对其波长进行精确解调是传感器应用的基础。基于可调谐半导体激光器的光纤光栅解调仪研制是近年来的研究热点。
　　首先，在分析光纤光栅应变传感原理的基础上，设计制作并标定了金属封装的表面粘贴式光纤光栅应变传感器，利用ANSYS软件仿真分析了传感器的结构和传递模型，提高了传感器的传递效率及精度。
　　其次，在分析解调仪工作原理基础上，提出了基于可调谐半导体激光器的解调仪设计方案，完成了解调仪的硬件和软件设计，实现四通道同步高精度解调。解调仪硬件设计方面完成了电源、激光器驱动、光电转换、数据采集等模块设计;软件设计方面，完成了各模块驱动程序和寻峰算法的C语言代码编写，并实现了传感器中心波长及光谱的上位机显示与保存。
　　最后，搭建系统测试平台。对光纤光栅应变传感器和解调仪性能进行测试，实验验证表明所设计的传感器可完成物体表面的高精度应变测量，解调仪可以精确的解调光纤光栅传感器的波长。
　　综上，本课题在对应变检测和光纤光栅解调仪国内外研究现状调研的基础上，研制了金属封装的表面粘贴式光纤光栅应变传感器和基于可调谐半导体激光器的光纤光栅解调仪，完成了传感器的结构设计和解调仪的硬件、软件设计，实现了应变高精度检测，为拓展深化光纤光栅传感器的应用和更高速、更精确的光纤光栅解调仪的研制奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．2．1 应变检测技术的研究现状

1．2．2 光纤光栅解调技术的研究现状

1．3 应变检测对光纤光栅传感器和解调仪的要求

1．4 论文主要工作及章节安排

第二章 表面粘贴式光纤光栅应变传感器设计

2．1 光纤光栅应变传感器设计

2．1．1 光纤光栅应变传感器机理

2．1．2 光纤光栅应变传感器结构设计

2．1．3 光纤光栅应变传感器应变传递模型

2．2 光纤光栅应变传感器结构有限元分析

2．2．1 光纤光栅应变传感器结构仿真分析

2．2．2 胶层传递效率仿真分析

2．3 光纤光栅应变传感器制作

2．4 光纤光栅应变传感器标定

2．5 小结

第三章 光纤光栅解调仪方案设计

3．1 基于可调谐激光器的光纤光栅解调原理

3．2 可调谐半导体激光器工作原理

3．3 光纤光栅解调仪方案设计

3．4 小结

第四章 光纤光栅解调仪硬件设计

4．1 解调仪硬件方案设计

4．2 电源模块设计

4．3 控制器模块设计

4．4 激光器驱动模块设计

4．4．1 D／A电路设计

4．4．2 电压转电流电路设计

4．4．3 TEC驱动电路设计

4．4．4 PID调节电路设计

4．5 光电转换模块设计

4．6 采样模块设计

4．7 通信模块设计

4．8 解调仪PCB设计

4．9 小结

第五章 光纤光栅解调仪软件设计

5．1 软件总体设计需求

5．2 D／A芯片驱动程序设计

5．3 A／D芯片驱动程序设计

5．4 串口通信程序设计

5．5 寻峰算法

5．5．1 最小二乘法原理

5．5．2 正交多项式拟合

5．5．3 寻峰算法程序设计

5．6 上位机软件设计

5．7 小结

第六章 系统应用测试

6．1 测试系统搭建

6．2 系统测试方案

6．3 实验结果与分析

6．3．1 中心波长准确性实验

6．3．2 应变测量准确性实验

6．4 小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录和参加科研情况