复合型光纤传感器阵列高速解调系统研究及应用

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近年来,人们对光纤传感技术的研究愈加重视,光纤传感技术在机械、电子仪器仪表、航天航空等领域的生产过程自动控制、结构健康状态与故障检测等方面,得到了可喜可贺的进步。在液压管道等结构健康状态检测领域,监测系统往往比较复杂,不仅要求温度和应变同时测量,解决温度应变交叉敏感对实际状态监测的影响,以实现热应变误差校正,解决温度应变交叉敏感对实际状态检测的影响,而且还要求高于设备高频分量的动态解调频率。为此,本文深入研究了基于傅里叶域锁模(Fourier domain mode locking,FDML)激光器的复合光纤传感阵列解调技术及其系统,主要内容如下:(1)复合型光纤传感器阵列的制作、传感机理与复用容量研究。设计制作非本征型法布里珀罗干涉腔(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI),并与光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)级联形成复合型光纤传感器。推导复合型光纤传感器的反射光谱数学表达式,同时分析其温度和应变之传感机理。研究复合型光纤传感器的复用技术,对复合型光纤传感器阵列信号进行仿真,并对其频域进行分析,以此选用适合的传感器构成准分布式传感网络。(2)复合型光纤传感器阵列的准分布式传感解调方法研究。提出面向复合型光纤传感器阵列的基于FDML锁模激光器新型高速解调系统。一方面,研究FDML扫描激光器的构成原理和光源光谱仿真,构建扫频速度达到40kHz的高速扫频光源。另一方面,研究梳状滤波器与单峰滤波器光学特性,分析可调谐法布里珀罗滤波器扫频时的非线性效应,设计光谱波长信息标定模块,重构复合型光纤传感器的反射光谱信息,并研究复合型光纤传感器高精度的解调解耦算法。(3)设计并实现面向液压管路多参量检测系统。设计复合型光纤传感器阵列的稳定性实验,并通过静态温度与应变测量实验,对复合型光纤传感器进行温度与应变标定。完成液压管路中温度、静态应变以及高速振动的同时测量。实验结果表明复合型光纤传感器不仅可以完成温度与应变同时高精度测量,而且基于FDML扫频激光器的高速解调系统可以达到40kHz的高速解调,并且实现准分布式传感测量。
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