DC-PCF激光多普勒技术及其在微多相流中的应用研究

发布时间：2017-10-15 13:10

  本文关键词：DC-PCF激光多普勒技术及其在微多相流中的应用研究

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【摘要】：双芯光子晶体光纤(Dual-core Photonic Crystal Fiber,DC-PCF)是近年来发展起来的一种新型全内反射型光子晶体光纤,由于具有双折射性高、非线性好、单模传输等独特性质,已广泛应用于曲率、温度、压力、扭矩和速度传感等领域。本论文利用DC-PCF的相干特性,将其应用到激光多普勒系统中,开发出一种新型的光纤激光多普勒测速系统。由于DC-PCF具有两个传输纤芯共享一个包层的结构,因此可大大简化系统复杂度,减少光路调节。而且速度测试探头进一步微型化,易于嵌入MEMS系统,可实现微/纳米流体的速度测量。针对DC-PCF激光多普勒测速系统的设计及开发,本文对以下几个方面进行了研究:(1)DC-PCF的传输和相干特性。实验研究了DC-PCF的光斑输出特性和相干特性,结果表明光纤出射两个独立的光斑,光斑强度近似成高斯分布,两个光斑的强度之比约为1:1。在距离光纤端面约30?m后,两独立光斑相互叠加后形成清晰的5条干涉条纹,随着与光纤端面的距离的增加,干涉条纹的间距逐渐增大。在距离2.0cm处,±2级亮条纹与0级、1级亮条纹的强度之比分别为1:3.4和1:2.4。而计算结果表明±2级亮条纹和0级、1级亮条纹的强度之比分别为1:4.5和1:3.5。可见,实验结果比理论计算结果强度比小,主要是由于实验过程中噪声引入所致。(2)DC-PCF探头加工和系统搭建。采用高压放电技术对光纤端面进行熔融处理,制作微透镜,可优化双芯光子晶体光纤形成的控制体结构,也可用于提高光纤接收光散射信号。设计并制作多粒子发射系统,分析粒子光散射特性,确定粒子散射信号接收方式,搭建和完善了基于双芯光子晶体光纤的激光多普勒速度测试系统。(3)基于DC-PCF激光多普勒的速度测试。分析基于DC-PCF的激光多普勒单点和多点速度测量原理,确定前向散射接收方式,并进行单点、两点和三点速度测试。单点测量时,粒子平均速度为0.980 sm/,相对不确定度为0.5%;两点测量时,粒子平均速度分别为1.761、1.769 sm/;三点测量时,粒子平均速度分别为2.106、2.084、2.097 sm/。实验结果表明,基于DC-PCF的激光多普勒速度仪可进行多点速度测量。(4)基于DC-PCF的激光多普勒速度仪嵌入MEMS的速度测量。设计、加工微系统装置,并嵌入DC-PCF。通过选择跟随性良好的粒子,应用多普勒速度测量技术对流体的速度进行测量,获得流体的速度为0.113 sm/。验证结果表明基于DC-PCF的激光多普勒技术可以应用于MEMS,对微系统中流体的速度进行测量。
【关键词】：双芯光子晶体光纤 激光多普勒测速技术 微多相流 MEMS 多点速度测量
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN253
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-13
• 1 绪论13-17
• 1.1 光纤激光多普勒技术的研究现状13-16
• 1.1.1 光纤激光多普勒技术在速度测量领域中的应用13-14
• 1.1.2 光纤激光多普勒技术的发展与不足14-15
• 1.1.3 光纤多普勒技术在微多相流的应用15-16
• 1.2 本文所做工作概述16-17
• 2 DC-PCF激光多普勒测速原理17-28
• 2.1 DC-PCF的特点及性质17-18
• 2.1.1 DC-PCF的特点17
• 2.1.2 DC-PCF的性质17-18
• 2.2 DC-PCF的干涉特性18-21
• 2.3 DC-PCF激光多普勒测速原理21-27
• 2.3.1 粒子散射理论21-25
• 2.3.2 速度测量原理25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 DC-PCF激光多普勒测速系统28-37
• 3.1 DC-PCF探头设计28-32
• 3.1.1 DC-PCF结构参数28-29
• 3.1.2 DC-PCF探头加工29-32
• 3.2 粒子发射装置32
• 3.3 多普勒散射信号接收方式32-34
• 3.4 多普勒散射信号处理方法34-35
• 3.5 DC-PCF激光多普勒系统装置35-36
• 3.6 本章小结36-37
• 4 DC-PCF激光多普勒速度测试37-44
• 4.1 DC-PCF单点速度测试结果37-40
• 4.1.1 多普勒信号及处理37-39
• 4.1.2 速度测量结果39
• 4.1.3 速度测试影响因素分析39-40
• 4.2 DC-PCF多点速度测试结果40-43
• 4.2.1 多普勒信号40-42
• 4.2.2 各点多普勒信号识别42
• 4.2.3 速度测量结果42-43
• 4.2.4 速度测试影响因素分析43
• 4.3 本章小结43-44
• 5 DC-PCF激光多普勒技术在微多相流中的应用44-53
• 5.1 DC-PCF嵌入微系统装置44-48
• 5.1.1 微系统装置的加工44-48
• 5.2 微多相流流动速度测试48-52
• 5.2.1 粒子的跟随特性48-49
• 5.2.2 多普勒信号及处理49-50
• 5.2.3 流动速度测量结果50-51
• 5.2.4 速度测试影响因素分析51-52
• 5.3 本章小结52-53
• 6 总结53-55
• 6.1 本论文的结论53
• 6.2 本论文的创新点53-54
• 6.3 本论文的不足及展望54-55
• 致谢55-56
• 参考文献56-62
• 附录62

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 贾月飞;蒋稼欢;马晓东;李远;黄和鸣;蔡坤宝;蔡绍皙;吴云鹏;;基于微丝的PDMS微流动通道制作技术[J];科学通报;2008年17期

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5 刘江虹,廖光煊,秦俊,范维澄;细水雾与射流卷吸现象的LDV/APV测量研究[J];激光杂志;2000年06期

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本文编号：1037295