基于蓝宝石光纤的高温F-P加速度传感系统研究

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超高温环境下的振动监测一直是传感监测领域的难点,其可应用于诸如航空航天、高温铸造等多个领域。光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)传感器具有测量精度高、结构简单、抗电磁干扰、易于组网复用等优点,但受限于普通石英光纤的工作温度低,无法用于超高温传感,因此本论文研究了一种基于蓝宝石光纤的高温F-P加速度传感系统。本论文的主要工作内容如下:1、在对多种光纤加速度传感器的特点分析与国内外研究现状的深入研究上,分析了高温光纤加速度传感器的必要性,提出了一种基于蓝宝石光纤的高温F-P加速度传感系统,用于高温下的振动测量。2、阐述了光纤F-P传感器的典型结构,以多光束干涉原理为基础,对光纤F-P腔的双光束干涉进行了理论建模和模拟仿真,研究了F-P腔参数对输出干涉光谱的影响,并阐述了光纤F-P传感器信号解调方法与原理。3、设计了一种基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)加工工艺制备的碳化硅(SiC)振动敏感元件,利用制备的振动敏感元件与蓝宝石光纤端面构成F-P谐振腔,同时研究了蓝宝石光纤与多模光纤的熔接技术。设计并制备了蓝宝石光纤F-P加速度传感探头封装,阐述了模间干涉效应,模拟了蓝宝石光纤的模间干涉效应,研究了蓝宝石光纤F-P腔的干涉光谱输出特性。4、基于所制备的超高温光纤F-P加速度传感器的光谱特性,对强度解调算法进行了优化,设计了基于可调谐窄带光源的手动调节静态工作点(Quiescent Operation Point,Q点)功能,并针对高温下F-P腔长变化的问题,设计了Q点自动追踪算法,克服了高温测量时静态工作点偏移出线性工作区的问题,可实现高温环境下振动信号的准确解调。5、搭建了高温加速度传感实验系统,分别在常温与高温环境下研究了蓝宝石光纤F-P加速度传感器的测量性能,分析了系统的频率测量精度、稳定性、振幅特性等。实验结果表明在常温与1200℃高温的环境下,该超高温光纤加速度传感器在100Hz至1000Hz的工作频率内对振动频率响应良好,频率测量的相对误差保持在1.56%以下,测量精度较高,并在武汉重型机床厂铸造车间进行了高温铸件的实时振动检测实验。实验证明,本文所构建的基于蓝宝石光纤的高温FP加速度传感系统可以实现超高温环境下的振动测量。
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