免费论文：多光栅采样传感技术研究

光纤光栅具有抗电磁干扰、绝缘性能高、耐腐蚀、体积小、重量轻、可复用、远距离传感、防爆性能及波长选择性好等突出优点，在国内外已经获得广泛的应用研究，涵盖安全、智能结构、医疗、航空航天、船舶、工业与化工控制、井下、管道及高压供电电缆等领域，成为传感领域内发展较快的技术之一。包括非平衡干涉法、滤波器法、波导阵列光栅解调法、可调谐滤波器解调法，以及色散管理延时法等多种光栅解调方法也相继被提出来。基于可调谐滤波器的光栅解调方法由于具有复用能力强、解调精度高、使用简单等优点而获得广泛的工程应用研究。本文在对光纤光栅传感原理及其现有解调技术深入研究的基础上，搭建了基于可调谐滤波器的多光栅采样传感硬件解调系统，并在此基础上对三种可提高其动态应变信号测量带宽的关键技术进行了研究：1）重叠多光栅采样重构方法；2）多光栅随机非均匀采样技术；3）自适应跟踪与锁定技术。基于以上三种关键技术的光栅解调系统还具有价格便宜、体积小、使用简单等优点。全文主要的研究工作如下：1）对光纤光栅的分类、制作技术及传感原理、基于可调谐滤波器光纤光栅解调系统常用光学模块进行了研究，同时对后续研究中所用到的光栅硬件解调系统，以及解调系统中所用到的光栅反射谱峰值提取算法、寻峰方法、实时动态标定的方法进行了研究，为后续的工作奠定了理论基础，并在此基础上提出了基于硬件实时解算的质心峰值提取、双边缘动态阈值等方法。2）首次提出通过重叠多光栅同步传感与采样的方法来提高基于可调谐滤波器光栅解调系统的动态应变信号测量带宽，研究了重叠多光栅的动态应变传感原理，并利用传输矩阵的相关理论对重叠多光栅的动态应变过程进行了仿真，给出了重叠多光栅在动态应变作用下的三维扫描过程，并通过伪色图的方式再现了重叠多光栅中每个传感光栅的同步传感特性，还对重叠多光栅应用于动态应变传感后信号的重构方法进行了研究。在实验研究部分，搭建了基于可调谐滤波器的重叠多光栅硬件解调系统及用于传感光栅动态应变特性测量的压电陶瓷驱动实验平台，并对利用重叠双光栅实现了4倍于单光栅所能实现的动态应变信号测量带宽的方法进行了实验研究。3）研究了多光栅随机非均匀采样的相关原理，并对重叠多光栅采样传感中所存在的非均匀采样现象进行了仿真分析。根据随机非均匀采样所具有的抗混叠特性，提出了通过随机改变可调谐滤波器三角波扫描电压峰值的方法来改变三角波的扫描周期，从而实现重叠多光栅随机非均匀采样过程。仿真和实验结果表明，多光栅随机非均匀采样可进一步提高基于重叠多光栅解调系统的动态应变信号测量带宽。4）研究了利用可调谐滤波器的窄线宽输出波长实现光纤光栅的高精度与宽量程的实时传感与解调方法，并对自适应跟踪与锁定方法及信号解调算法进行了仿真和实验研究。解调系统首先通过三角波扫描出传感光栅的峰值位置，再将可调谐滤波器的输出光谱锁定在传感光栅灵敏度最高的-3dB附近的线性变化区域，该方法可满足动态应变信号对高精度与宽量程的同时测量需求，而通过具有不同扫描波长间隔的多步长设计可进一步增强解调系统对高速动态应变信号的测量需求。

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