光纤法珀传感器低相干高速解调的设计与实现

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非本征型光纤法珀传感器具有体积小、灵敏度高、抗干扰能力强等优点,被广泛应用于生物医疗传感、化学传感、结构健康监测等领域,而高温、高压、强辐射等极端环境下的光纤法珀传感器应用成为研究的重点。其中,光纤法珀传感器解调技术的发展是解决应用需求问题的关键。本文对低相干光纤法珀传感器解调技术的原理及关键技术进行了研究,分析对比了强度解调法、光谱法及偏振相关解调技术,提出了基于鲍威尔透镜的非扫描相关高速解调技术。主要研究内容如下:(1)根据低相干相关解调原理,建立了相应的数学模型,结合非本征光纤法珀传感器的干涉原理进行了信号分析与仿真,分析了相关干涉信号特征。(2)搭建了低相干相关解调系统光路,将鲍威尔透镜引入线状光斑整形装置,并对线状光斑整形装置进行了仿真对比分析;设计了相应的光斑整形装置暗盒结构,减小了空间杂散光对相关干涉信号的干扰,提高了解调系统的实用性和稳定性。(3)设计了解调系统的硬件电路,主要包括电源电路、高速采样电路、高速线阵图像传感器的驱动电路及串口调试电路,并编写了相应的驱动程序。采用FPGA芯片进行信号处理,提高解调系统信号处理速度。(4)采用所设计的低相干相关解调技术方案,搭建了相应的解调实验装置,并通过对法珀腔光纤压力传感器的解调进行了测试。对蓝宝石光纤法珀传感器进行了封装及稳定性测试实验,根据互相关算法,得到了不同压力条件下的光纤法珀传感器腔长对应的线阵图像传感器像素数,在50~350℃的温度范围内对传感器进行了0~3MPa压力范围内的压力传感实验,实现了数据刷新率优于2 k Hz的解调速率。
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