面向航天应用的FBG传感器封装及快速解调系统的偏差补偿研究

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1、面向航天应用的FBG传感器封装及快速解调系统的偏差补偿研究ResearchonPackageofFBGSensorsanddeviationCompensationofRapidDemodulationSystemforAerospaceApplications领域：光学工程作者姓名：谢仁伟指导教师：刘铁根企业导师：廖志杰天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十二月摘要光纤布拉格光栅（FBG）作为一类光纤传感器件，可测量温度、应变、压力、振动和湿度等物理参量，已被广泛应用于建筑、交通、医疗、电力以及航天航空等领域。但是FBG存在材质脆弱，低温环境下温度灵敏度低等

2、缺点，难以直接作为传感器应用于工程领域。因此需要依据实际工作环境，开展FBG传感器封装方法的研究。本文根据航天器结构健康监测的要求，从FBG传感器封装方法以及FBG快速解调系统开发两方面进行研究，具体工作包括以下几个方面：1）研制了面向航天应用的FBG温度传感器，分析了FBG预拉伸幅度，低熔点玻璃焊料厚度对于传感器稳定性的影响，制作出高稳定性FBG温度传感器，在-70-30℃的温度范围内，FBG传感器测量温度时各个温度点波长的标准差小于0.57pm；FBG传感器温度灵敏度为8.4pm/℃，温度测量标准差小于0.067℃；在液氮环境中，FBG传感器六天时间里波长的标准

3、差为0.43pm，具有良好的低温稳定性。2）探究了FBG温度传感器的时间响应特性，提出一种基于FP标准具的FBG温度传感器响应时间测量方法，利用FP标准具将波长信号转化为光强信号，经光电探测器进行光电转换后由数据采集系统获取，之后根据多光束干涉公式计算出波长变化，进而得到FBG温度传感器的响应时间。3）根据航天飞行器结构健康监测的环境要求，设计了一种FBG低温应变传感器。对封装的应变传感器进行常温下标定实验，结果表明传感器的波长-应变线性度良好，线性相关度为0.996，传感器应变灵敏度为0.11pm/με。最后利用应变传感器对火箭燃料罐内部加压过程中外表面的应变进行

4、实际测量，证实了FBG传感器应用于航天器结构健康监测的可行性。4）研究了可调谐FP滤波法解调系统，通过标准具峰值点参考复用去乙炔气室基线的方法，解决了变温环境下解调系统光源平坦性波动引起的气室寻峰偏差的问题，提高了解调系统的稳定性；针对快速解调系统中出现的FP滤波器驱动三角波电压上升沿和下降沿解调结果存在偏差的问题，引入光程补偿的方法，大幅度降低了上下沿解调结果偏差。关键词：FBG，航天应用，结构健康监测、稳定性，响应时间，光程差IABSTRACTFiberBraggGrating(FBG),asaclassofopticalfibersensors,canmeas

5、uretemperature,strain,pressure,vibration,humidityandotherphysicalparameters.Ithasbeenwidelyusedinconstruction,transportation,medicaltreatmentelectricity,aerospaceandotherfields.However,itisdifficulttoapplythesensortotheengineeringfielddirectly.Therefore,researchabouttheFBGsensorpackagi

6、ngmethodbasedontheactualworkingenvironmentisnecessary.Accordingtotherequirementsofhealthmonitoringintheaerospaceenvironment.FromtheaspectsofFBGsensorpackagingmethodsandrapidFBGdemodulationsystem,thespecificworkincludesthefollowingaspects:1)TheFBGtemperaturesensorforaerospaceapplication

7、swasdeveloped.Thepre-stretchingamplitudeofFBGandthethicknessoflowmeltingpointglasswasanalyzed.ThestableFBGtemperaturesensorwasfabricated.intherangefrom-70℃to-30℃,theexperimentalresultsshowthatthestandarddeviationoftheFBGsensorwavelengthatalltemperaturepointsislessthan0.57pm,thetemper