混沌相关光纤环衰荡系统实现温度传感

发布时间：2020-10-14 06:12

　　 在工业生产和系统监测中,温度是最基本也是最重要的参数之一,其与生产安全、产品质量以及设备寿命都有密切的关系。因此,对温度进行实时准确的测量就显得尤为重要。然而,在一些特殊的环境中,传统的电子温度传感器的工作性能会受到影响,很难达到测量要求。因此,当前的温度传感研究集中于开发一种新型的温度传感器,具有良好的绝缘性和可靠性,且有较低的成本和更高的精确度。在激光出现之后,光学传感器被开发了出来。光学传感器以光作为探测信号,可以制成点式或分布式温度测量系统,并且具有多种不同的传感方法。其中,光纤传感器化学安全性高,可盘绕,抗电磁干扰,可以在较为恶劣的环境下工作,逐渐成为研究的热点。光纤布拉格光栅作为一种新型的光纤器件,是光纤传感技术中主要的传感元件之一。近年来出现的光纤环衰荡技术结合了光纤传感和腔衰荡技术的优点,是一种新型的高度灵敏的测量技术。把先进的光纤传感技术与某些光纤器件相结合,可以开发出新型的光纤传感器。本论文以光纤布拉格光栅作为传感元件,将其与光纤环衰荡技术相结合,采用混沌激光作为光源,设计了一种新型的温度传感系统。论文的主要工作如下:(1)介绍了当前光纤温度传感器的发展状况。从光纤用作温度传感的原理出发,列举了几种常见的光纤温度传感器,最后介绍了光纤布拉格光栅用作温度传感的优势和光纤布拉格光栅温度传感器的发展现状。(2)介绍了光纤环衰荡技术的传感原理以及混沌激光的产生与特性。提出了以混沌激光作为光纤环衰荡技术的输入光源,以混沌自相关峰的衰荡时间作为传感指标的传感方法。在理论上对该方法进行了解释,并在MATLAB中对该方法进行了仿真,同时也在实验上对该方法进行了验证。(3)提出将光纤布拉格光栅与基于混沌自相关的光纤环衰荡技术相结合来实现温度传感。在数学上对该方法进行了推导验证,并在MATLAB中进行了相关的数值模拟,在理论上证明了该传感方法的可行性。(4)搭建了基于混沌自相关光纤环衰荡技术实现光纤布拉格光栅温度传感的实验装置,并进行了温度传感实验。该温度测量系统实现了3.52ns/℃的测量灵敏度,且具有良好的测量稳定性。同时利用该传感装置,对光纤布拉格光栅的温度—中心波长关系进行了解调。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN253;TP212
【部分图文】：

图 1-1 基于瑞利散射的分布式光纤温度传感系统[38].1-1 Distributed optical fiber temperature sensing system based on Rayleigh scat图 1-2 基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感系统[38]istributed optical fiber temperature sensing system based on spontaneous Rama光光纤温度传感器纤温度传感器基于材料的光致发光现象制成，当材料受到外部辐射

图 1-2 基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感系统[38]istributed optical fiber temperature sensing system based on spontaneous Rama光光纤温度传感器纤温度传感器基于材料的光致发光现象制成，当材料受到外部辐射形式向外界释放能量，即产生荧光[39]。光纤荧光温度传感器凭借尺寸以及较强的抗干扰性正在逐渐取代传统的温度传感器。基于早出现于 1970 年左右。1976 年，Kusama 首次发现掺稀土荧光材料光强与温度有确定的关系。随后，大量的基于荧光强度的光纤温1988 年，Sun 等人研究了掺镱光纤的热性能，并将其用于测温， 700℃。此后，越来越多种基于掺杂元素光纤的测温方法被提出传感器的发展也越来越快[40]。图 1-3 为稀土荧光光纤温度传感系度传感器的分类如下表 1-2。

图 1-3 稀土荧光光纤温度传感系统示意图[80]ig. 1-3 Schematic diagram of rare earth fluorescent optical fiber temperature sensing sy涉型光纤温度传感器光纤温度传感器根据光的相位变化来反映外界温度的变化。该类型的用光的干涉，将一束光分成两束，其中一束光作为参考信号，不经过束光去感受外界温度的影响，当外界的温度发生变化时，光纤的长度变化，从而导致光在光纤中传输的光程发生变化，进而使得这束光的这两束光再次相遇时，会发生干涉，光程差的变化会导致所形成的干最终通过干涉条纹的变化来反映出外界温度的变化情况。普通的干涉有两种结构，分别是基于 Mach-Zehnder 干涉型和 Fabry-perot 干涉型式 Mach-Zehnder 干涉型光纤温度传感器的结构图。
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本文编号：2840303