基于弱光栅阵列的分布式振动传感系统及其实验研究

论文摘要

在基于弱光纤光栅阵列的分布式振动传感系统中,光纤作为光信号的传输介质以及系统的传感单元,可以实现长距离、高灵敏度、分布式的信号探测,因此被广泛应用于周界边防、地震预测等领域。本系统相较于传统基于瑞利散射光的振动系统,有效提高解调信号的信噪比,实现由396个间距为5m的等同弱光纤光栅组成的传感系统在5Hz到25kHz频段内的准确测量,并成功应用于电缆的局部放电信号检测,相较于传统的电测法和化学测法具有抗电磁干扰和耐腐蚀性的优势。本课题的主要研究内容如下:(1)设计分布式振动传感系统的光路。在搭建光路和软硬件环境时,主要对光电探测模块、脉冲调制参数进行优化设计,尽可能地增大系统的传感距离、动态范围上限以及有效采样率。随后对系统中光源线宽、弱光栅之间的串扰对系统信噪比的影响进行理论仿真分析和实验验证。(2)在信号算法处理方面,对3×3耦合器相位解调方法中的NPS(Naval Postgraduate School)算法和反正切算法进行优缺点比较,结果显示,反正切算法在抑制低频噪声方面优于NPS算法,但两者在耦合器不对称性时,都会产生严重的谐波失真。所以,本文在前人的基础上提出基于椭圆拟合算法的修正系数反正切算法。实验结果表明,修正系数反正切算法可以有效降低解调信号的谐波失真比。(3)通过PZT(piezoelectric)实验对系统进行功能测试,结果表明系统可以实现对不同频率的良好探测,并保持外加应变量与解调相位信号的线性关系。最后,利用电缆和变压器搭建局部放电装置,使用光纤绕制于铝箔胶带的方法,增强探测的灵敏度,结果表明当对电缆施加电压为10kV到50kV时,在9kHz到15kHz频段可以观察到局部放电信号。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题来源
•   1.2 课题研究背景和意义
•   1.3 分布式光纤传感网络
•     1.3.1 干涉型光纤传感技术
•     1.3.2 散射型光纤传感技术
•     1.3.3 基于超弱光纤光栅的增强φ-OTDR传感技术
•     1.3.4 光纤传感技术在电力领域的研究现状
•   1.4 本论文主要工作
• 第2章 分布式振动传感系统原理与设计
•   2.1 系统基本原理
•     2.1.1 光纤光栅基本原理
•     2.1.2 光纤光栅的时分复用原理
•   2.2 实验光路系统设计
•     2.2.1 超弱光纤光栅构建Michelson干涉仪基本理论
•     2.2.2 相位解调原理
•     2.2.3 相位解调方法
•   2.3 本章小结
• 第3章 系统性能与仿真分析
•   3.1 系统指标分析
•     3.1.1 传感距离
•     3.1.2 空间分辨率
•     3.1.3 动态范围影响因素
•     3.1.4 频率响应范围
•   3.2 实验系统设计
•   3.3 光源线宽对系统相位噪声的影响
•   3.4 弱光纤光栅阵列串扰分析
•   3.5 光电探测器带宽对脉冲信号探测的影响
•   3.6 解调算法分析
•     3.6.1 NPS算法和反正切算法原理介绍
•     3.6.2 NPS算法和反正切算法仿真分析
•     3.6.3 修正系数反正切算法仿真分析
•   3.7 本章小结
• 第4章 系统实现与实验研究
•   4.1 系统的构建
•   4.2 解调算法的对比实验研究
•   4.3 光源线宽对系统相位噪声影响的实验研究
•   4.4 弱光栅反射光与瑞利散射光的解调信号对比
•   4.5 不同传感区域的解调信号
•   4.6 解调系统性能指标分析
•     4.6.1 频谱响应范围
•     4.6.2 幅度响应
•   4.7 局部放电信号探测应用研究
•   4.8 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 熊玉川

导师: 文泓桥

关键词: 光纤振动传感,弱光纤光栅,相位敏感型光时域反射,耦合器解调算法,局部放电信号检测

来源: 武汉理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 武汉理工大学

基金: 国家自然科学基金面上项目(项目编号:61675157):基于超短光纤光栅阵列的分布式多参量传感机理与方法研究,国家自然科学基金重大项目(项目编号:61290311):大容量光纤传感网关键器件与技术研究

分类号: TN253;TP212

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000185

总页数: 79

文件大小: 3543K

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