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基于FBG复用技术的传感系统研究

作　者: 陈清海
导　师: 林玉池
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: FBG 应变传感干涉解调空分复用灵敏度分辨率修正因子
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

本课题来源于教育部博士点专项科研基金项目(编号:20030056017),主要研究目的是对光纤光栅传感器在传感领域的应用进行探讨和基础性研究。光纤光栅作为传感元件,由于其具有其它传感元件无法比拟的优点,及在军事领域和民用工程领域中广泛的应用前景,近年来受到各国有关研究人员的普遍关注。当前,在实际工程结构健康监测工程中,大规模,多点的检测,使得光纤光栅复用传感技术成为研究的热点。本文在对FBG (光纤Bragg光栅)的基本特性、传感理论及解调技术等方面进行分析的基础上,应用光纤光栅复用技术,设计了基于非平衡M-Z干涉解调理论和空分复用技术的FBG复用传感系统,完成了系统的搭建,对系统进行了应变传感特性实验,通过实验验证了系统的可行性,对系统的性能参数作出评价。在课题研究过程中,主要完成了以下工作:1.利用耦合模理论分析了光波在光纤光栅中的传输规律和光纤光栅的传输响应特性,分析了光纤光栅的折射率调制深度δn eff和光栅长度L与光纤光栅特性之间的关系,以及FBG的应变和温度传感模型。针对光纤光栅交叉敏感的现象,研究了消除交叉敏感现象的方案。2.构建了基于复用技术的光纤光栅传感解调系统。FBG复用传感系统采用等腰三角形悬臂梁调谐装置对FBG进行挠度加载,结合空分复用技术,利用非平衡M-Z干涉解调系统对信号进行调制,自行设计信号处理电路对信号进行解调,并显示相位值。3.完成了FBG解调信号处理系统的设计和调试,电路系统由模拟部分和单片机控制及测量系统组成,以PIC单片机为核心的控制和相位测量系统可实时显示周期方波信号和相位脉宽信号之间的相位值,相位系统分辨率达到0.006o。4.进行了FBG复用传感系统的应变传感特性实验,通过数据分析得出系统的灵敏度、分辨率、拟合度、稳定性和重复性。实验结果表明系统分辨率分别为1. 380με和1. 379με,检测应变灵敏度为S1 545 = 138.5με/mm和S 1550 = 137.5με/mm;采用添加修正因子的方法可以使测量值逼近理论值,修正因子为拉应变下:η1 545 =1.489和η1 550 =1.516;压应变下:η1 545 =1.489和η1 550 =1.476。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-17
  1.1 光纤光栅概述  8-9
  1.2 光纤光栅的分类及其应用  9-10
    1.2.1 光纤光栅的分类  9-10
    1.2.2 光纤光栅在传感领域的应用  10
  1.3 光纤光栅传感器的国内外研究现状  10-12
  1.4 光纤光栅解调技术的研究进展  12-16
  1.5 本论文研究的主要内容  16-17
第二章光纤光栅的理论与分析方法  17-27
  2.1 引言  17
  2.2 光纤光栅耦合模理论  17-24
    2.2.1 耦合模方程  17-21
    2.2.2 FBG的传感模型  21-24
  2.3 FBG交叉敏感  24-27
第三章光纤光栅复用传感网络的理论研究  27-35
  3.1 引言  27
  3.2 光复用技术  27-29
  3.3 光纤光栅复用技术及其分类  29-35
    3.3.1 波分复用(WDM)FBG传感网络  29-31
    3.3.2 时分复用(TDM)FBG传感网络  31
    3.3.3 空分复用(SDM)FBG传感网络  31-32
    3.3.4 混合复用(HDM)FBG传感网络  32-35
第四章 FBG复用传感系统的设计和实现  35-52
  4.1 FBG复用传感系统的设计  35-38
  4.2 FBG复用传感系统的组成  38-43
  4.3 FBG复用传感系统的硬件结构设计  43-51
    4.3.1 硬件系统总体设计  43
    4.3.2 系统电路设计  43-50
    4.3.3 系统软件设计  50-51
  4.4 小结  51-52
第五章 FBG复用传感系统的实验研究  52-64
  5.1 实验系统  52-53
  5.2 实验结果与分析  53-63
  5.3 小结  63-64
全文总结与课题展望  64-66
参考文献  66-69
发表论文和科研情况说明  69-70
致谢  70

基于FBG复用技术的传感系统研究

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