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双光栅匹配解调法是一种已经具备商用化前景的波长解调技术,但是其目前仍存在原理上的非连续线性、解调范围小等缺点。本论文在其已有基础上进行了进一步的深入研究,在解决其所存在的三方面的问题中取得了良好的成果,为研制出高性能、低成本、满足绝大多数实际工程需求的匹配光栅解调系统做出了实际的努力。
主要工作包括以下三个方面:
提出了一种线性解调理论模型,研究表明,若两个解调光栅的带宽相等,则两个探测器输出电压之比的对数与被测传感光栅的中心波长呈严格的线性关系。考虑实际情况中存在偏置电压的问题,对该模型进行了必要的修正。将该线性解调模型用于光纤光栅应变传感系统的信号解调,并进行了实验验证。实验表明,解调系统的输入输出具有非常好的线性关系,拟合线性度达到0.999以上。实验的测试结果中也确实发现存在偏置电压。在消除部分偏置电压后,系统的灵敏度得以提高了十多倍,线性解调范围也扩大了一倍以上。
研究了可调谐双光栅匹配解调系统,该系统结合了双光栅匹配解调法解调速度快和扫描解调法解调范围大的优点,扩大了原有系统的解调范围,增强了解调系统的实用性。同时,调谐技术的引入,也使得该系统具备了同时解调多个光栅中心波长的能力,相应的原理也在本文得到了讨论。由此所设计的系统动态响应速度不受扫描速度的影响,可消除光强抖动所带来的随机误差,数据处理更为简单,实用化前景更好。
提出了一种可消除交叉敏感的双光栅解调系统,从理论上证明了其消除交叉敏感的能力。该系统只要将解调光栅之一置于与传感光栅相同的温度环境中(不受应变影响),使其同时发挥解调光栅和温度补偿光栅的作用,就能实现温度和应变的分离。另外,另一解调光栅的中心波长受一温度控制器的控制,通过温度调谐,可以保证系统的解调范围不受环境温度变化的影响。
将三方面的进展整合进一个新型的光纤光栅传感器解调系统并由此构成新颖的光纤光栅传感器系统,具有响应速度快,测量精度高、重复性好、数据处理方式简单、结构简单、成本低等优势,将会为光纤光栅传感器的不断发展提供新的方式架构。这一创新性工作也是本文研究整体上的一个收获。