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面向光纤多参数传感器的低功耗解调系统研究与应用

面向光纤多参数传感器的低功耗解调系统研究与应用

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作者：吴则功齐鲁工业大学

学位级别：硕士

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。... 详细信息

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。

关键词：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

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基于飞秒激光刻写技术的可调谐光纤布拉格光栅研究

基于飞秒激光刻写技术的可调谐光纤布拉格光栅研究

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作者：孙杨聊城大学

学位级别：硕士

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、质量轻等特点,同时与光纤系统天然兼容。FBG在光纤传感器、光纤激光器、光通信系统等领域具有广阔的应用前景。入射光经过FBG区域后满足光栅谐振条件的波长的... 详细信息

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、质量轻等特点,同时与光纤系统天然兼容。FBG在光纤传感器、光纤激光器、光通信系统等领域具有广阔的应用前景。入射光经过FBG区域后满足光栅谐振条件的波长的光会被反射,能够实现正向传输模式与反向传输模式耦合。目前制备FBG的方法很多,主要分为两大类:紫外曝光法和飞秒激光刻写。其中,紫外曝光法需要相位掩模版或者振幅掩模版的辅助,FBG的谐振波长由模板周期决定,这很大程度的影响了FBG制备的灵活性,同时这种方法还要求光纤有光敏性,通常需要先对光纤进行载氢处理。而飞秒激光刻写具有灵活性强、制备过程简单等特点,光纤在刻写前无需经过特殊处理,同时飞秒激光脉冲具有非常高的峰值功率和超短脉宽,与光纤纤芯材料相互作用,通过多光子吸收对材料局部微结构形成调制,对光纤纤芯的局部折射率产生永久性的改变,使得FBG具有了耐高温的特性。本论文对波长为520 nm的飞秒激光逐点法制备FBG中不同参数对光谱特性的影响做了深入、系统的研究,并提出了一种新型的光纤光栅滤波器。主要工作总结如下:1.使用波长为520 nm的飞秒激光对刻写FBG的方法、参数进行了基础的实验探索,探究了不同的刻写方法、飞秒激光能量、FBG长度、电动平台移动速度、FBG在纤芯中的相对位置、FBG阶次等对光谱的影响。2.本课题使用飞秒激光逐点法刻写FBG,并结合光纤拉锥技术,提出了一种新型的光纤光栅滤波器。它由一对反射峰波长略微偏差的FBG组成,通过飞秒激光逐点技术刻写在拉锥后的单模光纤中。这种级联光纤光栅结构提供了与传统相移光纤布拉格光栅(Phase shifted fiber Bragg grating,PS-FBG)相似的传输光谱,同时根据应变的变化可以实现反射峰波长和带宽的同时调制,并且这种结构也可用在温度、拉力的多参数传感。所提出的光纤光栅滤波器可在多参数传感和可调谐光纤激光器中得到应用。

关键词：飞秒激光光纤布拉格光栅光纤光栅滤波器光纤多参数传感器

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