【摘 要】
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膜片式光纤法珀(FP)压力传感器具有灵敏度高、耐高温、尺寸小等独特性能,被广泛应用于航空航天、石油开采等复杂环境压力的监测,成为了当下压力传感领域研究的热点。要对实际环境压力监测,法珀腔长高精度、高速度的获取是关键,故解调方法的研究至关重要。本文设计制作了膜片式光纤法珀压力传感器和保护性封装,并对该传感器解调方法进行了研究,提出了一种幅值归一化-最小均方差算法,实现了适用于高温恶劣环境压力监测的光
【基金项目】
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陕西省自然科学基础研究计划项基金(编号:2021JM-437);
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膜片式光纤法珀(FP)压力传感器具有灵敏度高、耐高温、尺寸小等独特性能,被广泛应用于航空航天、石油开采等复杂环境压力的监测,成为了当下压力传感领域研究的热点。要对实际环境压力监测,法珀腔长高精度、高速度的获取是关键,故解调方法的研究至关重要。本文设计制作了膜片式光纤法珀压力传感器和保护性封装,并对该传感器解调方法进行了研究,提出了一种幅值归一化-最小均方差算法,实现了适用于高温恶劣环境压力监测的光纤法珀压力传感器制作和解调系统搭建。本文具体研究内容如下:(1)从单、双腔光纤法珀传感器光学干涉原理和膜片压力传感理论出发,对膜片式光纤法珀压力传感器工作原理进行了研究。分析了单、双腔光纤法珀传感器不同腔长及精细度下反射光谱特性,及几种典型解调方法精度受影响原因。(2)设计并制作了膜片式光纤法珀压力传感器,包括传感器制作材料选择和封装。结合光纤法珀压力传感器干涉光谱特性及目前典型解调方法,提出了一种幅值归一化-最小均方差解调算法。以设计的压力传感器为前提,从空气腔光谱提取、腔长解调两大方面进行了研究。分别比较了寻峰法和傅里叶变换法在提取空气腔光谱时的优缺点,择优选出了傅里叶变换法作为本课题提取空气腔光谱的算法。研究了幅值归一化-最小均方差解调算法,并对空气腔的腔长为209-212μm双腔光纤法珀传感器进行了仿真,结果表明该算法最大解调误差为0.0731nm,最大相对误差为0.00003461%。(3)设计了光纤法珀压力传感器解调系统。主要从光路、电路及软件三部分展开,光源选SLD光源,光谱仪选小型光谱仪模块,A/D转换模块将光谱仪接收的模拟电压信号转换成数字电压信号发给FPGA,FPGA中嵌入解调算法进行光纤法珀压力传感器腔长解调,串口模块将解调的结果发送到液晶和上位机显示,完成光纤法珀压力传感器解调系统设计。(4)搭建压力传感解调系统实验平台,对解调系统硬件电路和软件程序测试,采用解调系统进行传感器标定和压力实验验证。实验结果显示,解调系统能正常工作,腔长和压力变化具有良好的线性关系,最终解调速率达25k Hz,传感器灵敏度为0.6nm/KPa时,可分辨0.122KPa压力变化。实现了对光纤法珀压力传感器高精度、高速度解调。
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