用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的光纖布拉格光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)研究.pdf

1、光纖布拉格光柵(FBG)傳感器被認(rèn)為是21世紀(jì)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(diǎn),如抗電磁干擾、本質(zhì)安全等,還具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):傳感信息量波長(zhǎng)調(diào)制,不受光源光強(qiáng)波動(dòng)、線路損耗的影響,傳感重復(fù)性和穩(wěn)定性好,可方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量:其自參考特性使它能夠?qū)崿F(xiàn)絕對(duì)測(cè)量。在緩變參量測(cè)量和網(wǎng)絡(luò)化傳感技術(shù)都已經(jīng)比較成熟,并且已得到了廣泛應(yīng)用。而在許多場(chǎng)合,非常需要用FBG傳感器測(cè)量快速、瞬態(tài)應(yīng)變或振動(dòng)。如大型電

2、力設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的電磁振動(dòng)和故障狀態(tài)下的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)變,由于特殊的電磁環(huán)境,以前無法實(shí)現(xiàn)測(cè)量；對(duì)防爆條件要求苛刻的化工設(shè)備故障、儲(chǔ)油罐或石油管道的泄露誘導(dǎo)的瞬態(tài)應(yīng)變或振動(dòng)監(jiān)測(cè):需要長(zhǎng)距離傳輸測(cè)量信號(hào)的海底纜線、石油管道的健康狀況監(jiān)測(cè)；用FBG實(shí)現(xiàn)加速度傳感；FBG傳感器用于分析彈道測(cè)試引起的環(huán)境波動(dòng)和在破壞性實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)破壞引起的振動(dòng)波等。上述擾動(dòng)的幅度和頻率信息對(duì)研究結(jié)構(gòu)的健康狀況、安全性、穩(wěn)定性和完整性尤為重要。用FBG測(cè)量快速或瞬態(tài)應(yīng)變

3、,需要高速波長(zhǎng)解調(diào)方法。這類事件的特點(diǎn)是頻率高,或持續(xù)時(shí)間短,利用目前常用的掃描解調(diào)方法,如法.珀干涉儀,其掃描頻率才千赫茲,根本無法實(shí)現(xiàn)千赫茲及以上的解調(diào)。不用掃描的無源自參考解調(diào)技術(shù)為高速解調(diào)的理想選擇。
　　 本文的主要工作是FBG動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的波長(zhǎng).光強(qiáng)轉(zhuǎn)換方式解調(diào)方法的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。該方法雖在文獻(xiàn)中已有報(bào)道,但很多理論和實(shí)踐問題沒有得到很好的解決,已報(bào)導(dǎo)的瞬態(tài)應(yīng)變和振動(dòng)測(cè)量的精度不高、頻率較低。針對(duì)目前存在的問題

4、,本文分別利用FBG和CWDM光學(xué)帶通濾波器的邊沿和非平坦化的ASE功率譜的單調(diào)區(qū)間實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感FBG的波長(zhǎng)解調(diào)。建立了光學(xué)帶通濾波器邊緣相關(guān)解調(diào)方法的解調(diào)關(guān)系。基于該解調(diào)方法,分別設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了三種FBG動(dòng)態(tài)應(yīng)變波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)。針對(duì)系統(tǒng)存在溫度波動(dòng)造成系統(tǒng)無法工作問題,提出并實(shí)現(xiàn)了基于PID的工作點(diǎn)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的解決方案。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)應(yīng)變和溫度參數(shù)同時(shí)測(cè)量。用多項(xiàng)式擬合相關(guān)解調(diào)特性曲線,實(shí)現(xiàn)了非線性系統(tǒng)測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)

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(xué)帶通濾波器邊緣相關(guān)技術(shù)是非常理想的FBG中心波長(zhǎng)寬帶解調(diào)技術(shù),深入研究了基于FBG光學(xué)帶通濾波器邊緣的相關(guān)解調(diào)方法。建立了光學(xué)帶通濾波器邊緣相關(guān)解調(diào)關(guān)系。利用FBG光學(xué)帶通濾波器邊緣相關(guān)解調(diào)方法,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)靈敏度高、頻帶寬、響應(yīng)時(shí)間短的FBG動(dòng)態(tài)應(yīng)變波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)。針對(duì)FBG邊緣相關(guān)解調(diào)方法解調(diào)特性曲線的非線性,非線性失真隨被測(cè)量的增大而增大,提出用多項(xiàng)式擬

6、合相關(guān)解調(diào)傳遞特性曲線,根據(jù)系統(tǒng)輸出波形實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變波形重建,實(shí)時(shí)求解被測(cè)應(yīng)變,減小了非線性失真。在時(shí)域和頻域分析了系統(tǒng)輸出及經(jīng)波形重建后的應(yīng)變波形,結(jié)果顯示被測(cè)應(yīng)變的非線性失真得到明顯改善。利用PZT作為瞬態(tài)應(yīng)變模擬器,評(píng)價(jià)了該相關(guān)解調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
　　 2.基于FBG光學(xué)帶通濾波器邊緣的相關(guān)解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍小,針對(duì)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(zhǎng)自動(dòng)跟蹤方法,該方法大大降

7、低了對(duì)匹配FBG制造技術(shù)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(nèi)正常工作。并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變和測(cè)量點(diǎn)溫度同時(shí)測(cè)量。
　　 3.提出利用FBG邊緣相關(guān)波長(zhǎng)解調(diào)法的高靈敏度,開發(fā)了基于等應(yīng)變梁的高諧振頻率、高g值的加速度傳感器,具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 4.設(shè)計(jì)用粗波分復(fù)用器(CWDM)作為相關(guān)濾波器及采用非平坦化ASE光源的邊緣實(shí)現(xiàn)FBG傳感寬帶解調(diào)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)大測(cè)量范圍和溫度穩(wěn)定性好的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。進(jìn)行了系統(tǒng)的特