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硕士学位论文

光纤珐珀传感器高帧频光谱采样技术研究

2023年6月

光纤法布里-珀罗(Fabry–Pérot，F-P)传感器在高动态压力测量方面应用潜力大，具有

抗电磁干扰性强、耐腐蚀性好、动态响应速度快等优点。但光电探测器帧频速度限制了

其在航空航天、军事武器和石油钻井等极端环境中的应用。

本文针对航空航天等领域极端环境下的高动态压力测量需求，设计了基于分时曝光

的高帧频光纤F-P传感器测量系统。突破典型测量系统中单个光电探测器帧频速度的限

“”

制，引入流水线的思路对多个光电探测器进行分时曝光的控制，成倍地提升测量系统

的帧频速度，实现了光纤F-P传感器的高帧频测量，研制了高帧频光纤F-P传感器测量

系统，具体研究内容如下：

（1）从光纤F-P传感器测量系统的测量原理出发，分析光纤F-P传感器测量系统的

结构，以及光电探测器的工作原理。调研国内外光纤F-P传感器测量系统的发展现状，

从而找出制约测量系统帧频速度的关键原因是光电探测器件的帧频速度。

2F-P

（）选择蓝宝石高温光纤压力传感器，分析其结构和光谱干涉特性。对比光谱

法中最为典型的条纹计数法、傅里叶变换法，在1530nm到1570nm宽光谱范围内选择

傅里叶变换法对蓝宝石高温光纤F-P压力传感器实现解调和仿真。

3

（）从系统整体方案以及系统结构出发，对系统获得高帧频光谱的工作原理进行分

析。提出基于分时曝光的高帧频光纤F-P传感器测量系统，对4路25kHz帧频速度的光

纤光谱仪进行同步分时曝光控制，实现100kHz的高帧频采样速度。基于FPGA控制平

台设计了系统硬件电路，基于QT开发平台，设计上位机软件组。

4F-P

（）设计基于分时曝光的高帧频光纤传感器测量系统的实验方案，对系统的整

体性能进行测试。设计了静态实验，在常温常压的环境下，验证系统上电之后各路信号

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的正确性以及系统解调的一致性误差。设计了动态实验，在北京长城计量所（所）

采用标准正弦压力加载的形式，验证系统的帧频速度。设计瞬态实验，在南京航空航天

大学的超音速风洞实验室中开展在极端测试环境下系统对蓝宝石高温光纤F-P压力传感

器的信号测量。实验结果表明，系统在1530nm到1550nm的宽光谱范围内，对蓝宝石

高温光纤F-P压力传感器实现了不低于100kHz的光谱采样速度以及小于1nm的解调一

F-P

致性误差，系统可以在极端环境下对光纤传感器进行高动态的压力测量。

法珀传感器；光谱分析；智能化仪器；信号获取与处理

本研究得到陕西省重点研发计划国际科技合作计划项目基金(编号：2023-GHZD-52)和陕西省教育

厅重点研究计划项目基金(编号：20JY028)资助。

Abstract

TheopticalfiberFabry-Pérot(F-P)sensorhasgreatpotentialinhighdynamicpressure

measurement,andhastheadvantagesofstrongelectromagneticinterferenceresistance,good

corrosionresistanceandfastdynamicresponse.However,theframerateandspeedof

photodetectorlimititsapplicationinextremeenvironmentssuchasaerospace,military

weaponsandoildrilling.

Thepaperpresentsahigh-frameratemeasurementsystemforopticalfiberF-Psensorsto

meettheneeds