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用于光纤布拉格光栅传感的数字化光源设计

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外相关技术的发展现状

1.3光纤布拉格光栅传感系统的光源技术

1.4本论文主要研究内容

第2章 掺铒光纤激光光源的研究

2.1掺铒光纤激光器

2.2环形腔波长可调谐掺铒光纤激光器

2.3本章小结

第3章 数字化掺铒激光光源的高精密电压控制模块及驱动设计

3.1 高精密电压控制模块的电路设计方案

3.2关键元器件的选型

3.3原理图与印制电路板的设计

3.4 电路板的实验调试

3.5 利用DSP实现高精密电压控制模块的驱动设计

3.6 本章小结

第4章 数字化掺铒激光光源在FBG传感系统中的应用

4.1 可调谐激光器的数字化调谐实验

4.2 FBG传感中数字化光源的温度漂移控制实验

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢

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摘要

本文主要对光纤传感领域中光源技术进行研究,以光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)作为敏感部件的传感系统中,光源主要分两大类,宽带光源系统和利用可调谐激光器的窄带光源系统。宽带光源输出功率不足,传感信号信噪比低,解调精度不高;窄带光源则可以克服这个缺点,但对激光输出的稳定性和精度等方面存在着较高的要求。因此本文设计了一种高精密的可调谐数字化光源,这种高精密的调谐电压可实现精度为0.91pm的激光输出波长调谐,在这种高精密的电压调谐基础上,设计了一种基于电压扫描的温度漂移控制方法,这种算法可以精确的定位出温度的变化,与传统的原子吸收线定温法相比,虽然精度上略有降低,但在成本和实用性上有着突出的优势,同时这种方法也可以解决传感FBG的温度交叉敏感问题。
　　本研究首先对于FBG传感中用到的光源系统进行了分析,综合各种光源系统的优缺点,搭建出一种可调谐的窄带宽数字化激光光源,这一系统的波长选择装置是可调谐光纤法布里-珀罗滤波器(Fiber Fabry-Perot Tunable Filter, FFP-TF),利用数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)和高精密电压模块控制FFP-TF的电压,输出经调制的激光信号。对于滤波器FFP-TF存在的温度漂移问题,设计了一种温度漂移控制方法。实现过程:高精密电压模块输出正弦扫描电压,通过DSP中锁相放大算法解调出FFP-TF和参考FBG的相对波长漂移,精确定位出温度的变化,从解决光源的温度漂移问题。其次,利用分辨率为百万分之一(ppm)的数模转换芯片AD5791设计了高精度电压控制板。输入输出部分采用外部缓冲放大器架构,以此缓冲来自3.4千欧电阻的基准电压,通过选择适当的滤波电路、高精度的参考电压源和后续高规格的印制电路板设计,实现了精度为0.228 mV、积分非线性误差为12个最低有效位(Least Significant Bit, LSB)、微分非线性误差为的电压为2.5个LSB的高精密电压输出。用DSP的通用输入输出接口实现了数模转换芯片的驱动设计,输出三角波或正弦等调制信号,控制激光器的输出波长变化,可以实现输出激光的大范围快速扫描,后续的温度漂移控制方法程序也是利用DSP实现的。最后,对可调谐激光光源的输出稳定性及温度漂移现象做了系统的测量,实验中测量了滤波器FFP-TF的温度漂移曲线和参考FBG的温度漂移曲线。以此作为基础,在温度漂移控制实验中,通过记录温度变化产生的FFP-TF和FBG的相对波长漂移,利用漂移控制方法计算出温度变化,实现光源的定标和传感FBG的温度漂移控制。

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