光纤光栅高温应变测量与解调技术研究

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光纤光栅应变传感器以其体积小、耐高温、远距离传输、抗电磁干扰等优点,成为当前应变传感器的研究热点,在冶金工业、电力、石油化工等重工业中具有广阔的应用前景。光纤光栅具有较高的反射率和较窄的反射带宽,其波长对应变、温度的变化比较敏感。高温环境下光纤光栅应变监测的关键问题在于如何消除温度对应变的影响,围绕此问题本文设计制作了光纤光栅高温应变传感器及其解调系统,具体内容如下:(1)研究分析了光纤布拉格光栅的传感理论,针对光纤光栅温度应变交叉敏感度的问题,设计制作了基片式双光栅高温应变传感器。采用双光栅形式,在单根酰亚胺涂覆层光纤上使用飞秒激光逐点刻写温度光栅和应变光栅,使用Solid Works设计基片式封装结构,通过仿真软件对封装结构仿真优化,使封装后传感器的温度光栅仅对温度敏感,应变光栅对温度和应变敏感,利用温度光栅的测量结果对应变光栅的监测结果进行热补偿,消除温度对传感器应变监测的影响。(2)设计基于FPGA的光谱仪解调系统,以SLD为系统光源,采用光谱仪模块完成光信号到模拟信号的转换,通过AD采样电路将模拟信号转换为数字信号,采用FPGA控制电路对AD采样后的信号进行高斯平滑滤波处理和质心寻峰,最终将传感器的反射光谱和中心波长通过串口发送到上位机中进行显示,实现高信噪比、高功率窄线宽信号中心波长的解算。(3)搭建实验平台,对传感器进行应变测量实验和温度传感实验,实验证明封装后传感器的应变范围为3000με,是未封装传感器应变范围的2.4倍,温度光栅和应变光栅的温度灵敏度分别为12.94 pm/℃和13.89 pm/℃。使用自制解调仪和封装后的传感器进行高温应变测量,实验表明温度补偿后传感器应变光栅的中心波长漂移从4.6 nm降为0.2 nm,应变灵敏度为1.91 pm/με,温度光栅的中心波长均保持在1571.633 nm,实现了温度和应变的同时测量,有效解决了光纤光栅温度应变交叉敏感的问题。
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