光纤布拉格光栅传感系统的波长解调技术的研究

摘要

光纤布拉格光栅(FBG)自1978年出现以来,由于其良好的滤波特性和灵敏的温度、应变响应,已经在光纤通信、传感、测量等领域取得了广泛应用。光纤光栅传感器除了具有一般光纤传感器的优点外,其突出特性是：被测信号是波长编码的,并且方便利用时分、波分复用技术实现对多种传感量(应力、温度、强磁场等)的准分布式多点测量。如何对光纤光栅的波长编码信号进行解调是实现光纤光栅传感器应用的关键技术之一。 本文首先概括介绍了光纤光栅的诞生与发展、光纤光栅传感器的原理与应用、光纤布拉格光栅传感解调的国内外现状。概述了光纤光栅的分类与制作方法,分析了光纤光栅的折射率分布特性及其耦合波方程。在此基础上,分析了光纤光栅温度和应变传感机理。 接着,对目前国内外已经研究过的光纤光栅传感系统波长解调方法进行了简单的归纳和分析,并对高双折射光纤环镜波长解调技术进行了系统的理论分析和实验研究。用高双折射光纤长度分别为0.02m、0.1m、30m和200m组成的Sagnac光纤环镜进行了实验。通过分析,导出了光透过率与光波长之间的关系式,得出光透过率随波长变化的频率大体不变,且光透过率变化的频率与环镜中高双折射光纤的长度近似成正比的结论。通过实验与理论结合,提出了一种新型的波长解调技术--计数波长解调技术。这种技术是通过记录透过率变化的周期数,来判断波长的变化量,从而推出待测物理量的微小变化。 其次,对这种新型计数波长解调技术进行了进一步的实验探索,用运算放大器CA3130制作了差分放大器。设计并制作了10mHBF环镜和双高双折射环镜计数波长解调系统,并采用伟福S51单片机--P87C52(Philips)和模数转换芯片ADC0809设计A/D转换电路,实现了光纤布拉格光栅传感系统波长信号的解调。该技术完全避开了通过测量信号的幅度变化来测量波长的变化,具有抗干扰能力强、测量精度高、结构简单、价格低廉和使用方便的优点,对FBG传感器的使用和推广具有重要的实际意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1光纤光栅的诞生与发展

1.2光纤布拉格光栅传感技术的特点和应用

1.2.1光纤光栅传感技术的特点

1.2.2光纤光栅传感技术的应用

1.3光纤布拉格光栅传感解调技术

1.4本课题的主要研究内容

1.5本课题来源

第2章光纤光栅传感理论模型及传感机理分析

2.1光纤光栅的分类与制作

2.2光纤布拉格光栅的理论模型

2.2.1光纤光栅折射率分布特性分析

2.2.2光纤光栅耦合模理论

2.3光纤光栅传感基本原理

2.3.1 Bragg光纤光栅特性

2.3.2应力对布拉格波长的影响

2.3.3温度对布拉格波长的影响

2.3.4温度及应变的综合影响

2.4本章小结

第3章光纤光栅传感系统波长解调技术的研究

3.1光纤光栅传感系统

3.2光纤光栅传感系统波长解调方法

3.2.1光谱仪法

3.2.2滤波解调法

3.2.3干涉解调法

3.2.4可调谐光源解调法

3.3高双折射环镜计数波长解调技术的原理与实验研究

3.3.1高双折射光纤(HBF)概述

3.3.2高双折射光纤环镜计数波长解调原理

3.3.3高双折射光纤环镜计数波长解调技术实验研究

3.4本章小结

第4章基于单片机的计数波长解调技术的实验研究

4.1 FBG传感系统波长解调实验

4.1.1 10m HBF环镜波长解调系统

4.1.2电信号整形及放大电路设计

4.2 P87C52单片机处理系统的仿真设计

4.2.1伟福PODH8X5X仿真头

4.2.2 P87C52单片机

4.3模数(A/D)转换

4.3.1 ADC0809的性能特点

4.3.2 ADC0809的引脚功能

4.3.3 ADC0809与P87C52连接

4.4计数波长解调装置的制作

4.4.1 10m HBF环镜计数器

4.4.2双高双折射光纤环镜计数器

4.5本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢