双段光楔式非扫描相关解调技术研究

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光纤法-珀传感器由于体积小、结构简单以及不受电磁干扰等特性,被广泛应用于温度、压力等物理量的传感测量。但在实际的压力感测中,始终存在温度对压力交叉敏感的问题,必须同时测量温度来进行压力补偿。基于目前对光纤法-珀传感技术双参量测量的迫切需求,针对该类传感器解调技术的研究受到了越来越多的关注。因此本文提出了一种双段光楔式非扫描相关解调方案,该解调方案采用双段光楔和线阵电荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)组合的方式,实现了基于复合式光纤法-珀传感器的压力-温度双参量测量。本文所做的具体工作如下:首先,从复合式光纤法-珀传感器的双参量测量需求出发,通过对比分析几种常见解调技术的优缺点,基于非扫描相关解调原理,提出了一种双段光楔式非扫描相关解调方案。根据该解调方案,建立了相应的数学模型,并利用此数学模型对系统输出的相关干涉信号进行仿真实验,验证了该解调方案的可行性。其次,设计并搭建解调系统光路,以SLED宽带光源为系统光源,选用小口径光纤准直器和鲍威尔棱镜的组合结构作为线状光斑整形装置,并根据复合式光纤法-珀传感器各腔体光学厚度的变化范围,采用具有不同倾角和厚度范围的双段光楔作为相关干涉信号发生器,设计相关模块,进行光路对准,完成解调系统光路的搭建。然后,根据双段光楔式非扫描相关解调系统输出信号的特征及性能要求设计对应的硬件电路和解调算法,先是通过FPGA控制电路驱动线阵CCD工作,使相关干涉信号由光信号转化为电压信号,之后将所得电压信号输入AD转换电路并以数字信号输出,输出信号进入包含解调算法的FPGA控制电路进行解调,由于输出信号中存在高、低频噪声,无法准确获取信号峰值位置,因此通过设计合理的解调算法,实现了相关干涉信号峰值位置对应像素序列号的精准提取,其结果通过串口通信电路传送到上位机进行显示,完成解调系统电路和算法设计。最后,搭建基于双段光楔式非扫描相关解调系统的压力-温度双参量测试实验平台,对初始腔长为80μm的真空腔和680μm的基底腔的复合式光纤法-珀传感器进行压力-温度测试,在压力范围为0.1-3.0MPa、温度范围为50-350℃的环境下进行实验,得到了压力灵敏度为-23.357/MPa,温度灵敏度为-0.226/℃,温度对压力的交叉灵敏度为0.019/℃的解调结果,并利用温度补偿压力测量结果,其校正后的压力与参考压力之间的误差小于0.02MPa。
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