光纤布拉格光栅高温传感与解调技术研究

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光纤布拉格光栅温度传感器相较于传统热电阻式温度传感器具有抗干扰、响应快等优点,可在各种严苛环境下实现温度测量,并且具有较高的测量精度。对于光纤布拉格光栅温度传感器的应用而言,关键点在于如何准确地从传感器返回的光谱信息中解调出波长的漂移量,以及在高温环境下传感器的耐用性。本文通过对使用飞秒激光刻制的聚酰亚胺涂层的纯石英光纤布拉格光栅进行保护性封装,并且基于分光解调原理,设计并实现了用于高温测量的解调系统以及传感器,主要进行了以下研究工作:首先,从光纤布拉格光栅传输及传感原理出发,推导了反射光谱信号随温度变化的关系式。对比分析了目前主要的几种解调方法,并且确定采用基于分光法的集成线阵InGaAs探测阵列的光谱解调法。然后,设计并建立了光纤布拉格光栅温度传感解调系统,包括系统结构设计、器件选型、电路设计和软件设计四部分。主要采用ASE光源和小型数字化光谱仪的器件搭配,而电路设计部分根据反射光谱信号的特征及性能要求,采用A/D模块对于光谱信号进行数字转换,通过FPGA控制电路进行数据信号处理,实现传感信号的解调,并相应完成各个模块的软件开发与调试。最后,通过使用不锈钢毛细管对传感器进行封装并完成标定测试,搭建实验平台,验证硬件电路系统和软件算法的可行性,完成传感器反射光谱信号的峰值确定,进而实现温度解调。通过实验可得传感器温度灵敏度为14.45pm/℃,可以在800℃环境下稳定工作,其最大耐温值可以达到1000℃左右,解调系统波长灵敏度为5pm,解调速率17KHz,温度分辨率小于1℃,温度测量最大测量误差为0.071%,具有较小的测量误差和较高的测量稳定性,实现预期目标。
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