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机载环境下光纤光栅温度传感技术研究

孙振华  
【摘要】: 现代航空飞行器在一个国家军事国防中发挥着重要作用,是一个国家综合实力的重要体现。航空飞行器本身是一个非常复杂的体系结构,并且在飞行过程中,常常处于非常复杂多变的恶劣环境中,为了保证安全、可靠的飞行,对飞行器飞行状态及各个结构部位进行有效快速监测显得尤为重要。 温度是航空飞行器的一个重要参数。传统的温度测量元件如热电偶、温包、热电阻等,在飞行器的发展过程中作出了重要贡献,但是也表现出了各种各样的不足。光纤光栅温度传感器与传统的传感器相比具有体积小、质量轻、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、容易复用、能埋入工程结构等优点,非常适合运用于飞行器结构健康监测。 本论文首先简单分析了光纤光栅传感技术的基本原理,重点介绍了细不锈钢管封装和镍管镀金封装两种封装形式的光纤光栅温度传感器。针对航天飞行器所处的恶劣飞行环境,本论文主要研究了光纤光栅温度传感器的低温和高温特性,对不同封装类型的光纤光栅温度传感器的温度特性进行了比较。在低温实验中,研究了裸光纤布拉格光栅、细不锈钢管封装的光纤光栅温度传感器以及镀金的光纤光栅温度传感器的低温特性。裸光纤布拉格光栅和镀金的光纤光栅温度传感器具有良好的重复性和线性度,而细不锈钢管封装的光纤光栅温度传感器当温度低于-60℃时,其中心波长发生突变,并对产生突变的原因进行了分析。镀金的光纤光栅温度传感器更适合应用于航空飞行器。在高温实验中,研究了通讯用标准单模掺锗光纤、高掺锗光纤以及高掺硼光纤分别制备成的三类光纤光栅的高温特性。镀金封装后的三类光纤光栅比封装前温度灵敏度都有了较大的提高;在一定的温度变化范围内,镀金封装后的三类光纤光栅有着良好的重复性和线性度,但温度变化区间大时,呈现一定的非线性;三类光纤光栅当加热到一定温度以后,其光学特性消失,光纤光栅失效,不再具有波长选择的作用,并且三类光纤光栅的失效温度各不相同。文中对光纤光栅失效机理及产生非线性的原因进行了分析。 光纤光栅解调器的性能在很大程度上影响着整个测量检测系统的性能,是光纤光栅传感测量系统中的一项关键技术。本文采用基于F-P腔的解调方法,用DSP高速芯片对数据进行采集处理,实现对波长信号的高速解调。


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