便携式光纤光栅解调仪研究与设计

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光纤光栅传感技术作为众多光纤传感检测技术中的一种,其在继承了光纤传感技术众多优势的基础上,还具有检测精度高、可测量参数多、体积小巧便于构成准分布式传感网络等优点,因此在灾情预警、建筑结构安全、船舶工业、航空工业等领域得到了广泛的应用。与此同时,为了应对不同情景下的光纤光栅解调需要,相关学者提出了许多各具优劣的解调方案。目前市面上现有的光纤光栅解调设备大多存在价格较高、体积较大、性能指标难以满足实际应用需求等一些问题,因此研究并设计一款成本较低、体积小巧便于携带、综合解调性能优异的光纤光栅解调仪具有非常重要的意义。本文从光纤光栅传感技术理论研究出发,分析了光纤光栅作为传感使用的基本原理,综合对比了几种常用的光纤光栅解调系统方案,选用了基于扫描激光器的光纤光栅解调方案,设计了集成化的硬件解调电路和软件解调界面,搭建了便携式的光纤光栅解调仪样机。本文主要研究内容展开如下:(1)介绍了光纤光栅的基本光学特性及其内部结构。基于耦合模理论,着重对光纤布拉格光栅的温度和应变传感模型进行了阐释。分析了几种光纤光栅解调方案的基本原理,综合对比了这些方案的优劣。(2)设计了基于扫描激光器解调法的便携式光纤光栅解调系统,分析了系统涉及到的光学器件参数及其选型要求,设计了光电转换模块和数据采集传输模块。针对光谱采样数据进行多种拟合算法处理,通过分析对比选用了较为适合该解调系统使用的滑动平均法作为系统拟合算法。(3)针对工程实际应用的需求,设计完成了采集传输模块的下位机软件和基于Qt C++类库的上位机解调软件,软件界面功能包括了光栅参数设置、解调结果显示、数据存储查询等功能。将硬件系统和软件系统结合搭建了便携式的光纤光栅解调仪样机。(4)通过设计一系列实验分别针对便携式光纤光栅解调仪样机的解调精度、解调稳定性、解调线性度、系统容量、响应时间等性能指标进行测试。实验结果显示本文设计的便携式光纤光栅解调仪解调性能优良,其中解调范围为1528-1568nm,解调精度为±2pm,解调稳定性为±2pm,系统容量为4×20,扫描频率为1Hz,系统响应时间约为2s,基本满足了光纤光栅便携性解调中可能涉及到的各项需要。
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