新型快速光纤Bragg光栅解调技术研究

【摘要】：光纤光栅是一种刻蚀于光导纤维上的一种无源光子器件，其纤芯折射率沿轴向呈周期性变化。光纤光栅不仅具有光纤的优点，还是一种性能优越的波长敏感元件，对不同环境参量(温度、压力和应变)具有不同的响应灵敏度，也可以将多个光纤光栅串在一起组成光纤光栅阵列，同时光栅阵列可以与时分、波分、空分复用技术相结合，实现网络传感。由于多数传统光纤Bragg光栅解调系统体积较大(如光谱仪法)，价格昂贵等，应用于工业实践不太现实。因此，对如何实现高精度、快速、低成本的光纤Bragg光栅解调系统的，成为光栅传感研究的热点之一。 本文采用虚拟仪器技术，通过比较分析常见的光纤Bragg光栅传感系统的解调方法，提出一种新的基于非平衡M-Z干涉仪正交信号处理法的光纤光栅(FBG)应变传感解调方案，并用悬臂梁拉伸光栅，验证该解调方法应用于动态应变传感的可行性。 具体研究内容如下： ①通过耦合模式理论(coupled-mode theory, CMT)建立光纤FBG的传感的理论模型，得到光纤FBG的光谱特性曲线；阐述了光纤FBG的温度、应变传感理论，详细分析了FBG在传感应用中的常用解调方法，并通过实验验证了光纤FBG中心波长偏移与温度、应变变化的线性关系。 ②阐述正交延迟采样的基本原理，并用LabVIEW程序进行仿真，验证正交延迟采样与正交信号处理法的可行性。 ③构建了的基于M-Z干涉仪的正交信号处理法的光纤Bragg光栅应变解调系统，使用相位补偿和相位展开算法实现对波长偏移量的解调，并利用悬臂梁拉伸光纤Bragg光栅实验验证了该方案用于动态应变传感的可行性。通过总结对比光纤FBG传感的动态解调方案，论证了该正交延迟采样方案的优点。