基于可调谐滤波器的高精度宽量程光栅传感解调系统

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光纤布拉格光栅(FBG)传感器具有不受光源功率波动和对电磁不敏感等优点,是光栅传感领域的主要器件。系统的解调精度光由心波长偏移的精确测量决定。强度调制型光栅解调系统具有非常高的解调速度,但是系统中光学滤波器的非线性特性会降低全量程范围的解调分辨率和灵敏度。增加光学滤波器的斜率可以提高解调的精度,但又会降低动态应变的有效测量范围。解调技术的不同,影响着传感器的工作方式和性能。本文设计了一种基于可调谐滤波器的高精度宽量程传感解调系统,通过控制F-P滤波器的自适应扫描电压,将其窄线宽输出波长通过动态跟踪与锁定的方法,实时地锁定在光栅反射谱-3dB处,以此来实现高灵敏度宽量程的光纤光栅传感与解调。该解调系统很好地解决了由于可调谐滤波器在全量程范围内扫描非线性所引起的精度较低的问题,并有效地提高了传感器的量程。本文首先介绍了光纤光栅传感器的发展和应用并分析了布拉格光栅的应变和温度传感原理,对目前应用成熟的调方法进行介绍并分析了各自的优缺点;选择了F-P滤波器法作为本文的基本解调方法,设计了光栅传感解调系统的总体方案;针对F-P滤波器固有的迟滞性和蠕变性等问题,提出了一种控制F-P滤波器的自适应扫描电压,通过实时跟踪传感光栅反射谱的变化来提高传感精度和量程的解调方法。完成了整个系统的光路部分的搭建与调试,并利用标准具进行光栅反射波长的标定。完成了以Xilinx公司的FPGA芯片XC4VLX25作为主控制器的硬件电路设计,用VHDL语言编写了A/D和D/A的控制程序,实现了传感数据的采集和F-P滤波器扫描电压的输出;完成了用DM9000A实现的以太网数据通信设计,将传感数据传输到PC上位机,再通过解调部分的数据标定及解调算法实现振动信号的解调。通过对该系统的测试,结果表明对于低速的动态应变信号,光栅解调系统的量程可大于±2nm;系统在静态下的波长漂移量为±1.5pm,拟合系数达0.9997;动态下能解调出高达2KHz的外部振动信号,证明了系统的可行性和稳定性。
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