【摘要】：隨著科技的進(jìn)步,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成為研究熱點(diǎn),在精密機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域,對傳感系統(tǒng)的響應(yīng)速度與空間分辨率等方面提出了更高的技術(shù)要求。近年來,基于光纖光柵的傳感技術(shù)得到快速發(fā)展,但現(xiàn)有光纖光柵傳感技術(shù)還難以做到同時(shí)具有較高的響應(yīng)速度與空間分辨率。針對此問題,本文重點(diǎn)研究基于光頻域反射(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)的光纖光柵分布式解調(diào)技術(shù),以分布式反饋激光器(Distributed Feedback Laser,DFB)作為高速掃頻光源,實(shí)現(xiàn)高速、高空間分辨率的光纖光柵分布式解調(diào),主要研究內(nèi)容如下:(1)研究高速、高空間分辨率光纖光柵解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)。分析光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)的傳感機(jī)理,仿真分析非均勻應(yīng)變下的光譜特性,據(jù)此分析長光柵的分段解調(diào)法,研究OFDR的解調(diào)原理,分析OFDR系統(tǒng)的空間分辨率與動(dòng)態(tài)范圍等關(guān)鍵特性,對系統(tǒng)掃頻光源進(jìn)行需求分析,研究DFB的高速調(diào)諧機(jī)理,分析DFB掃頻光源在OFDR系統(tǒng)中的適用性及存在的問題,進(jìn)行DFB拍頻測試,驗(yàn)證基于DFB的OFDR系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢測范圍。(2)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于DFB的高速掃頻光源。設(shè)計(jì)DFB電流調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路,測試光源出光性能,分析DFB掃頻光譜、電流-波長調(diào)制線性度及動(dòng)態(tài)線寬等,驗(yàn)證DFB高速掃頻光適用于OFDR系統(tǒng),針對DFB光源的幅度調(diào)制造成的干擾問題,分別在硬件與軟件上提出簡便的補(bǔ)償方法,消除光源幅度調(diào)制干擾。(3)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高速、高空間分辨率光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)。利用DFB掃頻光源搭建基于OFDR的光路,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于DFB的高速OFDR分布式解調(diào)算法,針對DFB高速掃頻光源的非線性效應(yīng)提出基于希爾伯特變換的修正算法,提高系統(tǒng)空間分辨率。(4)高速、高空間分辨率光纖光柵解調(diào)的測試與應(yīng)用研究。對解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行分布式光纖光柵溫度測試,驗(yàn)證解調(diào)系統(tǒng)的空間分辨率,利用加速度傳感器進(jìn)行分布式高速振動(dòng)測驗(yàn),驗(yàn)證系統(tǒng)可識(shí)別的振動(dòng)信號頻率范圍,進(jìn)行系統(tǒng)重復(fù)性實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證解調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在齒輪平臺(tái)上進(jìn)行解調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn),通過在齒輪的齒根部位布置長光纖光柵,對運(yùn)作中的齒輪進(jìn)行齒根應(yīng)變的分布式檢測,驗(yàn)證解調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測能力。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212;TN253;TH74
【圖文】：

一個(gè)具有負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器通過閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)的，而驅(qū)動(dòng)能力則是通過采用帶寬為 4GHz 的高速 NPN 三極管 BFG35 實(shí)現(xiàn)的，BFG35 的電流驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到 150mA，結(jié)電容低至 2pF，非常適用于激光器的高速驅(qū)動(dòng)。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，可推算出輸出的驅(qū)動(dòng)電壓為：53 4In DCDRV In DCV VV R V VR R = + = + (3-1)其中，InV 是輸入的線性調(diào)頻信號幅度，DCV 為直流電平電壓，因此通過電壓-電流轉(zhuǎn)化后輸出的驅(qū)動(dòng)電流為：13In DCDRVV VIR+= (3-2)由此可知，輸出的電流與輸入的信號呈簡單的線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中只需給予鋸齒波型的InV ，再適當(dāng)調(diào)整DCV ，即可得到在 12-100 mA 的安全范圍內(nèi)的周期性線性增長的驅(qū)動(dòng)電流。

通過光電轉(zhuǎn)換器將各個(gè)通道的光拍頻信號轉(zhuǎn)化為電被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入計(jì)算機(jī)終端，最后通過信號處理即可解調(diào)與波長信息。測量通道是從耦合器2C 到光電轉(zhuǎn)化器1PD 所組成的馬赫-曾德合器2C 與合路器4C 之間連接的是兩條等長光纖干涉臂，其中一條臂，待測 FLOGs 通過一個(gè)光環(huán)形器與另一條相連，光從環(huán)形器進(jìn)部分都透射而損失，只有少數(shù)滿足布拉格波長條件的光才能反射回形器重新進(jìn)入傳感光纖，因此兩臂存在光程差。FLOGs 反射光與路器4C 匯合并產(chǎn)生拍頻信號，F(xiàn)LOGs 上各個(gè)測量點(diǎn)到光環(huán)形器的頻信號的頻率大小。PD1參考 FBGFLOGs

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