光纤光栅传感器交叉敏感问题的研究

【摘要】：作为一种正在蓬勃发展的传感技术,光纤光栅传感器以其抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、尺寸小、重量轻、灵敏度高等优点,在土木工程、石油化工、航空航天等领域取得了广泛应用。因此对其目前在理论和应用中所存在的各关键问题的逐步解决必将带来重要的科学意义和经济价值。其中解决温度和应变的交叉敏感问题是光纤光栅传感器得到实用化并且走向大规模生产的重要前提。所以本文以该问题为核心从光纤光栅理论和解决方案等方面进行了详细分析。 首先,论文介绍了光纤光栅的基本理论和传感机理。从耦合模理论出发,分析了均匀布拉格光纤光栅的反射谱特性,并通过仿真进一步分析了不同参量的变化对光纤光栅反射谱的影响,给出了不同参数下反射谱的带宽和最大折射率变化的表格。根据传输理论,对光纤光栅的应变特性和温度特性进行了详细的分析,推证了相应的传感模型,并利用传输矩阵法仿真得出了非均匀应变条件下光纤光栅反射谱的变化,给出了二维和三维的对比图。 其次,在对光纤光栅交叉敏感产生机理进行了较为详细的理论研究的基础上,具体分析了国内外典型的应变、温度交叉敏感解决方案,并结合等强度悬臂梁和预应变的设计思想提出了一种有效且低复杂度的测量方法。根据此方法建立了测量系统,对光纤光栅的应变和温度传感特性进行了实验研究。接着对实验结果进行了分析,绘出了布拉格共振波长与温度及应变的关系曲面,另外还分析了温度和波长的非线性关系对测量结果的影响,给出了布拉格共振波长与温度的线性及非线性的适用范围。在温度的线性测量范围内,裸光栅部分和预应变部分的温度和应力响应曲线具有良好的线性。相应的应力灵敏度系数和温度灵敏度系数分别为:0nm/N,0.4082nm/N,0.0128nm/℃,0.1346nm/℃。结果表明,该方法仅需要一个光源,一个解调系统,简单易行,为温度和应力的实际测量提供了便利。 最后,在解决交叉敏感的过程中为了准确测定解调系统输出信号的峰值波长,在低成本和高精度的要求下,提出了光纤光栅反射谱的处理算法,用来滤除噪声和精确定位峰值波长,从而高精度地解决交叉敏感问题。在此基础上,通过实验和仿真从理论和实际两方面对算法进行了分析,得出采用自适应阈值小波消噪的方法有效提高了系统的信噪比,降低了噪声带来的读取误差,在相同采样精度下B样条拟合处理前波长检测的误差为0.01nm,处理后误差为0.0017nm,误差降低了一个数量级,处理后提高了测量Bragg波长漂移量的分辨率,降低了波长检测的误差。