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基于温度补偿的Bragg光栅压力传感器及其信号处理研究

作　者: 张丰涛
导　师: 王俊杰
学　校: 武汉理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 光纤Bragg光栅(FBG) 压力传感交叉敏感温度补偿
分类号: TP212.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

光纤Bragg光栅(FBG)是近年来发展最为迅速的全光纤无源器件之一,它用于传感领域可对应力、温度、压力、加速度等外界量进行精确的检测。光纤Bragg光栅传感器具有尺寸小、重量轻、传输距离远、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,越来越成为当今传感领域研究的焦点。光纤Bragg光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域,有着非常广阔的发展前景。本文对光纤Bragg光栅压力传感技术进行研究。主要包括:光纤光栅基本理论、光纤Bragg光栅传感原理、交叉敏感、增敏技术、温度补偿、光纤Bragg光栅信号解调等。首先,介绍了光纤光栅传感的特点和国内外发展现状。光纤Bragg光栅的耦合模理论和光纤Bragg光栅的压力传感原理;并分析了压力、温度交叉灵敏度,交叉灵敏度分离。此外,为了克服交叉敏感的问题,我们设计了基于薄壁圆筒结构和基于平面薄板结构的光纤Bragg光栅压力传感器结构,提出了被动温度补偿和聚合物封装,目的在于增大应力测量的灵敏度,同时又解决了温度变化引起的交叉敏感问题。然后,对常用光纤Bragg光栅传感信号解调技术进行了深入分析,并研究了一种基于FPGA的光纤布Bragg光栅传感信号解调技术。最后我们建立了光纤Brgag光栅压力传感模型,在此基础上完成了压力敏感实验、温度敏感实验以及压力温度交叉敏感实验,研究了光纤Brgag光栅传感器的温度和压力特性,包括重复性、回程误差、线性度、精度等。实验结果表明,采用被动温度补偿以及温度残留效应主动实时修正来进行温度去敏设计可以实现对压力的精确测量,测得压力可达到50MPa,压力灵敏度达到0.036 nm/MPa,重复性误差0.75%,回程误差1.84%,基本误差±0.89%,而且还可以实现对压力、温度的同时测量;结果也表明,通过调整传感器结构的参数,如基材和几何尺寸等,可以使该结构压力传感器满足不同的测量范围和响应度。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-12
  1.1 选题背景及意义  9-10
  1.2 光纤Bragg光栅压力传感技术研究现状  10-11
  1.3 课题研究中工作所做的工作  11-12
第2章光纤Bragg光栅理论分析及传感原理  12-18
  2.1 光纤Bragg光栅的基本结构及压力传感原理  12-15
    2.1.1 光纤Bragg光栅的结构及基本工作原理  12-13
    2.1.2 光纤Bragg光栅的压力传感原理  13-15
  2.2 光纤Bragg光栅压力、温度交叉灵敏度分析及温度去敏  15-18
    2.2.1 光纤Bragg光栅压力、温度交叉灵敏度分析  15-17
    2.2.2 光纤Bragg光栅压力传感的温度去敏  17-18
第3章光纤Bragg光栅压力传感结构设计  18-27
  3.1 光纤Bragg光栅压力封装(增敏)结构  18-19
  3.2 光纤Bragg光栅压力温度补偿原理及温度补偿结构设计  19-21
    3.2.1 光纤Bragg光栅压力传感温度补偿原理  19-20
    3.2.2 光纤Bragg光栅压力传感温度补偿结构设计  20-21
  3.3 基于平面薄板结构的光纤Bragg光栅压力传感器设计  21-23
  3.4 基于薄壁圆筒结构的光纤Bragg光栅压力传感器设计  23-24
  3.5 光纤Bragg光栅压力传感器温度稳定性分析  24-27
第4章光纤Bragg光栅解调及信号处理  27-38
  4.1 光纤Bragg光栅解调的主要方法及原理  27-29
    4.1.1 可调谐光纤法布里-珀罗腔法  27-28
    4.1.2 可调谐窄带光源检测法  28
    4.1.3 非平衡Mach-Zehneler干涉仪法  28-29
  4.2 基于FPGA的光纤Bragg光栅数据采集系统  29-38
    4.2.1 模拟中频信号预处理模块  29-31
    4.2.2 模数转换模块(ADC)  31-32
    4.2.3 FPGA内部逻辑设计  32-38
第5章光纤Bragg光栅压力传感实验研究  38-49
  5.1 温度敏感特性实验  38-41
  5.2 压力敏感特性实验  41-46
  5.3 压力温度交叉灵敏度实验  46-49
第6章结论及有待进一步解决的问题  49-51
  6.1 结论  49
  6.2 存在的主要问题及解决的途径  49-51
参考文献  51-54
攻读硕士学位期间发表的学术论文  54-55
致谢  55

基于温度补偿的Bragg光栅压力传感器及其信号处理研究

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