面向光纤多参数传感器的低功耗解调系统研究与应用

作     者：吴则功 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘统玉

授予年度：2024年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：低功耗解调系统 光纤多参数传感器 乙炔吸收峰 垂直腔面发射激光器 

摘      要：光纤光栅具备本质安全、稳定性高、抗电磁干扰能力强等优势。目前,基于光纤光栅的温度、压力、应变、位移等多参数传感器已经逐步应用于煤矿、桥梁,航天等领域。光纤光栅解调系统用于解调传感器的波长信息,是整个传感网络的重要一环。但现有的解调系统存在功耗高、成本高、体积大等问题,不适用于所需监测点较少、供电困难的场景中。为解决上述问题,本文开展低功耗、低成本、高精度的光纤光栅解调系统研究。主要研究内容如下: (1)说明了本文的研究背景及意义,并介绍了光纤多参数传感器的发展以及光纤光栅解调技术的进步。阐述了光纤光栅的结构以及光纤光栅的温度、应变感知原理,同时对比现有的光纤光栅解调方法,将扫描激光器法作为最终选择。 (2)提出了使用乙炔吸收光谱自校准的光纤光栅解调系统,该系统使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为光源,并利用乙炔吸收峰作为波长参考用于解调光纤光栅。其中为降低系统功耗未对激光器使用温度控制,通过研究激光器在0～40°C时的波长重叠范围,进而确定解调系统在该温度范围内运行时的波长解调范围。另外设计了散热装置促进激光器散热,使解调系统在间歇工作模式时提高了电能利用效率。在处理乙炔吸收峰的归一化数据中,根据吸收峰的强度不同作为重要的识别特征,提出了基于定位特征峰、辅助峰的吸收峰识别算法,另外使用吸收峰分割算法将识别后的吸收峰序列进行分割,对分割后的各个单峰区域单独寻峰。最终实验结果表明解调系统的波长重复性为±3pm,波长精度为±2pm,运行功耗降低至0.264W。 (3)基于低功耗解调系统,搭建了应用于煤矿巷道的多参数监测系统。为了满足实际监测需要,设计了一种大量程的光纤顶板离层传感器,并在实验室中使用低功耗解调系统对光纤顶板离层、锚索应力以及温度等多参数传感器进行测试,实验结果表明低功耗解调系统的位移解调精度为±2mm、压力解调精度为±4k N。在实际应用中使用容量为20Ah的电池供电,计算得到低功耗解调系统在间歇工作模式时的运行时长至少为100天。最终解调系统还监测到巷道顶板的伪顶岩层存在17.5mm的塌陷量,证明了该解调系统在实际应用中具备较好的可行性、可靠性。