高速光纤光栅传感解调系统设计与实现

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自1989年Morey首次使用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)进行应变和温度传感以来,光纤布拉格光栅的传感应用引起了世界范围内的高度重视,并且取得了长足的进步。随着光栅写入技术的不断进步与制作成本的大幅降低,光纤布拉格光栅传感技术成为了增长最快,最具发展前途的传感技术,己被广泛应用于航天工业、船舶航运、军事工业、石油与煤矿工业、土木工程结构、电力工业和化学传感等领域。当前,国内外低速的光纤光栅解调产品,已开始逐步应用,但解调速度与精度并未达到实际应用中设备监测的要求;针对高速光纤光栅传感解调产品的设计与开发,国外的研究开展较早,并出现了相关的高速解调产品,但价格相当昂贵,很难广泛地应用在工程领域中。为此,高速光纤光栅解调系统的研究,其难点是进一步优化现有的低速解调方案,改进现有的解调算法,实现光纤光栅的高速度、高精度解调。本文主要针对光纤光栅解调系统的高速数据采集与快速解调算法进行研究,在分析目前国内外光纤光栅传感解调的发展以及解调产品研究现状的基础上,设计了基于可调谐F-P滤波解调法的高速光纤光栅解调方案。设计方案重点研究了系统的标定与寻峰算法。采用光梳状滤波器和光单峰滤波器作为参考光路,通过参考光路的标定算法提高波长解调的精度;为实现对峰值的准确判定,比较了不同寻峰算法的原理和适用性,并提出了一种基于状态机的自适应半峰检测算法。方案具体实现中,采用高速AD完成对FBG光谱波形的实时采样,解调系统的信号处理部分以FPGA为核心,实现所设计的解调算法并完成相应的控制、通信等功能,最后通过相应的实验论证方案的可行性。通过实验测试,验证了不同寻峰算法的性能,经过分析比较得出了基于状态机的自适应半峰检测寻峰算法的优良特性。对所设计解调仪的性能实验结果表明,解调仪的解调速度2kHz,分辨率为1pm,通道数为4,每个通道最多可接入64个FBG传感器,并通过在航空发动机监测实例的检验,解调仪的精度、稳定性、实用性等都符合设计要求。
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