光纤双法珀腔传感器解调技术研究

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高温环境下的压力测量在航空航天、船舶海洋、能源勘探和石油化工等多个领域中有着广泛需求。在这些需求中,压力测量通常会受到极端高温环境的影响,引起测量偏差或使传感器无法工作。而光纤双法珀腔传感器耐高温、抗电磁干扰能力强,能够实现温度与压力的同时测量。本文对双法珀腔传感器的解调技术进行研究,在实现对双法珀腔腔长的高速度、高精度解调的同时研究双法珀腔高温压力传感器的温度漂移补偿方法,解决由温度耦合效应引起的压力测量偏差问题。本文主要研究内容如下:通过对双法珀腔结构干涉原理的分析,建立反射光谱数学模型并进行光谱仿真与分析。结果表明,双法珀腔光谱比单法珀腔复杂,大包络受短腔长法珀腔调制,小包络受长腔长法珀腔调制。同时分析双法珀腔的温度压力测量原理,为后续设计适用于本文的双法珀腔解调算法提供理论支撑。设计双法珀腔传感器解调算法。首先提出光谱矫正算法以减少光源对解调结果的影响,然后提出将双法珀腔信号解耦为两单腔信号的思路,降低解调难度。分别对希尔伯特变化法、局部峰值检测法及傅里叶变化法进行分析与仿真,明确傅里叶变化法为最佳解耦方法。对解耦后的单腔信号进行解调,提出快速解调的追峰互相关联合算法,对空气腔与基底腔分别在10μm腔长变化范围内仿真验证算法可行性。验证算法一致性误差,结果表明,空气腔与基底腔解调一致性误差(标准差)分别为0.48nm和0.53nm。从光路、电路、驱动及软件四个方面设计双法珀腔传感器解调系统。搭建系统光路、明确系统电路设计方案,完成系统硬件与驱动模块设计;完成上位机软件编写与功能测试;最后对整个解调系统进行测试,使其能够正常解调与显示双法珀腔腔长值。对双法珀腔传感器的温度压力敏感特性进行分析,建立空气腔温度补偿模型。搭建实验环境,通过高温静态压力标定实验得到具体的温度补偿模型值。为验证补偿模型的有效性,对传感器进行高温静态压力补偿实验,补偿后在1000℃范围内温度测量误差最大值为±1.2%FS,在1MPa压力测量范围内压力测量误差最大值为±1.1%FS。正弦压力加载实验结果表明解调系统解调速度可达20k Hz。对整个解调系统进行一致性误差实验,得到空气腔与基底腔的一致性误差(标准差)分别为0.83nm和0.86nm。
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