基于偏振低相干的光纤法珀传感器解调系统研究.pdf

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1、硕士学位论文基于偏振低相干的光纤法珀传感器解调系统研究RESEARCHONDEMODULATIONSYSTEMOFFIBERFABRY-PEROTSENSORBASEDONPOLARIZATIONLOWCOHERENCE孙逊哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP212.1学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文基于偏振低相干的光纤法珀传感器解调系统研究硕士研究生：孙逊导师：原桂彬教授申请学位：工程硕士学科：仪器仪表工程所在单位：自动化测试与控制系答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大

2、学ClassifiedIndex:TP212.1U.D.C:621DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringRESEARCHONDEMODULATIONSYSTEMOFFIBERFABRY-PEROTSENSORBASEDONPOLARIZATIONLOWCOHERENCECandidate：SunXunSupervisor：Prof.YuanGuibinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：InstrumentS

3、cienceandTechnologyDepartmentofAutomaticAffiliation：MeasurementandcontrolDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要光纤法珀传感器具有易于复用、抗电磁干扰、重量轻、能够在极端环境下工作等优点得到了广泛的发展。在燃气轮机监测、石油勘测领域中，高温、高腐蚀等极端环境下压力、温度等参数的测量对监控发动机的工作状态、指导石油勘测具有重要意义，在上

4、述领域中，光纤法珀传感器相比于电学传感器具有极大优势。光纤法珀传感器的解调方式有多种，包含强度解调法、光谱解调法、相位载波法，但上述解调方法无法满足兼顾量程、速度、动静解调能力的解调需求。针对上述问题，本文采用低相干干涉法解决了大量程、动静态参量的同时测量的问题；解调模块中测量干涉仪采用偏振干涉仪方式搭建，避免了采用斐索干涉仪搭建时光楔加工难度大、生成信号信噪比低的问题；针对晶体引入色散造成传统解调方法解调结果错误的问题，提出了一种改进的条纹中心算法实现光纤法珀传感器的正确解调；针对解调速度慢的问题，本文基于DSP和FPGA设计了采

5、集、传输与处理系统，为实时解调提供了硬件平台。最终对设计的解调系统进行了分辨力、线性度、稳定性和重复性的性能测试实验。本文中的主要工作如下：首先，建立斐索干涉仪和偏振干涉仪的理论模型，对上述两种干涉仪的优缺点进行对比，基于系统生成干涉条纹对比度和干涉仪加工难度方面的考虑选择了双折射晶体光楔的偏振干涉仪解调方案。在此基础上，进行了系统中光源、光纤、双折射晶体光楔、相机等器件的选型，搭建了完整的光纤法珀传感器解调系统。其次，本文基于偏振干涉仪的理论模型，研究了晶体色散对低相干干涉条纹的影响，主要包括干涉条纹相对于包络曲线的移动，零相位点

6、与包络曲线中心位置不再重合，继而造成传统解调方法的失效。针对上述问题，本文以理论模型为基础，提出了一种改进的条纹中心算法，利用干涉条纹包络曲线中心位置和2mπ相位点位置的线性关系，实现了低相干干涉条纹信号的解调，并验证了算法在引入色散后的解调系统中的有效性。之后，针对解调系统中数据量和计算量大的特点，本文基于DSP和FPGA搭建了数据的采集、传输与处理系统。系统采用FPGA、CameraLink相机和视频采集卡实现了低相干干涉条纹的采集；采用PCIe协议实现数据的高速传输；采用TMSC6657双核DSP实现数据的高速处理，并将解调结

7、果发送至FPGA端以模拟量形式进行输出。-I-摘要最后，对设计的光纤法珀传感器的解调系统进行了分辨力、误差、重复性、稳定性及动态响应等方面的性能测试实验，其中解调系统能够分辨4nm位移，最大误差占全量程的0.63%，解调重复性为0.14%，30min稳定性为0.55%，2min稳定性为0.083%，能够跟随900Hz的频率变化。本文的工作解决了现有光纤法珀传感器解调系统无法同时兼顾测量范围、解调速度、动静态参量同时测量的问题，有利于光纤法珀传感器更大范围的应用。关键词：光纤法珀传感器；低相干干涉法；条纹中心法-II-Abstract

8、AbstractInthefieldsofgasturbinemonitoringandpetroleumexploration,pressure/temperaturemeasurementinextremeworkingenvir