光纤布拉格光栅传感系统中F-P滤波器控制方法研究

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光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器波长解调系统是实现FBG传感功能的核心。目前使用较多的FBG传感器解调方法是可调谐F-P(Fabry-Perot)滤波器法,这种方法具有解调速度快、解调范围宽、解调精度较高等优点。但是,由于F-P滤波器中的腔长调节元件-锆钛酸铅压电陶瓷(Pb(Zr1-xTix)O3,PZT)具有伸长量随温度漂移以及迟滞和蠕变等非线性特性,使F-P滤波器输出波长随时间非线性变化,带来波长解调误差大、传感检测精度低的问题。针对上述问题,本文从研究F-P滤波器中的PZT迟滞和蠕变特性入手,提出了一种基于热标准具与PZT迟滞和蠕变补偿控制的F-P滤波器解调法。研究了F-P滤波器中PZT迟滞和蠕变补偿的驱动电压控制方案,通过控制F-P滤波器的驱动电压随时间非线性改变,使宽带光源经过F-P滤波器输出的波长能随时间等间隔变化,获得随时间线性变化的标准具透射谱峰值波长,作为波长标尺的“刻度线”,为解调传感光栅的波长提供精确的波长基准。通过设计PZT迟滞和蠕变补偿的驱动电压控制方案,搭建FBG传感实验系统,编写控制与信号处理软件,实现了一套基于上述F-P滤波器解调方法的FBG传感系统,并利用该传感系统对8个不同的温度进行测量。FBG温度测量的实验结果表明,本文提出的方法与未进行迟滞和蠕变补偿控制的方法相比,温度测量精度提高约20倍,温度测量误差小于0.5℃。
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