分布式光纤振动温度融合传感技术研究
发布时间：2021-06-05 12:32
随着社会的不断发展,人们对传感器的需求日益增长。光纤传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰强以及耐腐蚀性强等优点,在能源、医疗、国防和大型基础设施领域得到广泛的应用,已逐步替代传统的传感器成为工业领域的主流传感器之一。本文基于相位敏感型分布式光纤振动传感原理,采用波分复用技术,在同一根传感光纤上实现了振动和温度同时监测。文章主要从实验原理、系统设计和实验验证等方面展开研究。研究光纤传感背景及关键技术,分析了几种常见的分布式光纤振动传感器和分布式光纤温度传感器的结构和研究现状。重点研究了光纤中的后向散射理论,深入探讨了?-OTDR光纤振动传感定位技术及拉曼后向散射测温解调技术。在此基础上,设计了分布式光纤振动温度融合传感装置。该装置主要包括激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、波分复用器、传感光纤、光电探测器和数据处理模块。对各个模块的参数进行分析和优化,确定了系统的参数设置。设计了信号处理流程,设计采用滑动平均、滑动差值算法处理振动信号,实现对振动定位和提取。编写累加平均、温度补偿、温度标定算法,对温度信号进行处理,实现温度信号的解调和标定。搭建了分布式光纤振动温度融合型传感实验...
【文章来源】：安徽师范大学安徽省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Mach-Zehnder光纤干涉技术原理图
41.2.2基于Michelson干涉原理的分布式光纤振动传感器图1.2展示的是Michelson干涉仪[22]。激光器发出的光经过耦合器被分成两束光C1、C2，分别进入传感光纤和参考光纤，到达反射端面的称为参考光束，到达可动端面的称为测量光束。反射回来的光经过耦合器最终被探测器检测[38-40]。当有外界信号作用时，探测器可接收的光强为/2cos1IIs0）（（1.3）式中：0I是激光器光强，s是两路光通道的相位差，I是探测器接收到的光强。图1.2Michelson光纤干涉技术原理图XiaobinHong,JianWu,ChaoZuo,FangsenLiu等人描述了一种包含两个Michelson干涉仪的分布式光纤振动传感器[41]。使用了相位探测器和两个3×3耦合器来解调由振动引起的时变相位变化，两个干涉仪被四个波分复用器分开。振动的位置通过信号相关性获得，可以用做周界安全性传感器来定位入侵者。文章所展示的基于带有FRM的Michelson干涉仪的光纤振动传感器可以相应的减少极化效应，通过在4012m长的传感光纤上进行实验，证明了定位分辨率可达到m51。在提高精度的同时，模式识别也同样十分重要。随着信息时代的到来，传感技术正吸引着更多人的目光。吉林大学的王亮研究了Michelson干涉光纤振动的模式识别方法[40]，他使用了小波包变换和希尔伯特-黄变换用于提取小波包能量特征和边际频谱特征信号的方法。实验结果表明，该方法能够有效地区分各种瞬态扰动事件，该算法的分类准确率高达96.76％，并具有较高的辨识度。为了更好地服务于人们生产生活，预防自然灾害，减少人类不必要的损失，并进一步提高定位分辨率。2018年，大连理工大学的田德忠设计了一种基于光谱解调的光纤Michelson位移传感器系统用于边坡监测[42]。系统包括sm125-500扫描激光解调器、光纤耦合器、光纤Michelson干涉仪、信息处理装?
5光源光谱的影响；最后设计了FFT算法作为信号的解调方法，实现了信号的高效、大动态范围解调。对实验系统的偏振衰落问题进行了综合分析，并对法拉第旋转进行了研究。采用反射镜消除系统的偏振衰落，详细研究了光纤折射率的变化，然后通过实验来校准传感器系统保证了传感器的高测量性能。光纤利用拉伸装置进行拉伸，模拟实际边坡滑动。实验结果表明，这种低相干Michelson方法具有较高的精度，可以达到是m19、可重复性为m7.17、最高分辨率可以是m03n、动态范围为m10c。1.2.3基于Sagnac干涉原理的分布式光纤振动传感器图1.3Sagnac光纤干涉技术原理图图1.3是Sagnac光纤干涉仪结构，激光器通过耦合器分成两路光。两路光在同一个光纤环中分别按照顺、逆时针方向传输后，同一时间回到耦合器处并发生干涉，最终被光电探测器检测。当光纤上的某一点发生振动，这就使得两束走过同样路程所需的时间大不一样，相位的变化就此产生，那么光强的变化便可以调制出振动信息[43-46]。假设光源光强为0I，则C1和C2的光强为/20I，由已知的干涉原理，可得返回到光电探测器的光信号强度：cos1II）（0（1.4）式中：0I为光源光强；为顺、逆时针两路光的相位差；I是探测器接收到的光强。Kaczmarek提出了一种基于Sagnac干涉仪用于测量双折射光纤中模态双折射对压力的敏感度[47]。在该方法中，根据包括被测量的光纤在内的Sagnac干涉仪的压力灵敏度的测量结果和该光纤的群模态双折射的测量结果来确定光纤的模态双折射的压力灵敏度。利用上述方法，对波长为1460-1600nm的双折射光纤（光子晶体光纤和领结光纤）的模态双折射的压力敏感性进行了测量。使用此方法，对波长为1550nm的保偏光纤在20-70℃的温度范围内进行实验。将这些测量结果与通过其他方法获得的相同类型光纤?
【参考文献】：
期刊论文
[1]光纤传感器研究[J]. 林金梅,潘锋,李茂东,王恋,李仕平,黄国家. 自动化仪表. 2020(01)
[2]萨格纳克型的光纤振动传感器[J]. 曹世才,邹正峰,付雷,陈淑芬,冯义民,孟彦彬,朱昕玥. 光学技术. 2019(05)
[3]光纤温度传感器的研究与应用[J]. 巴朗旭. 数字通信世界. 2019(07)
[4]基于背向拉曼散射的分布式光纤温度传感器[J]. 谢辰昱,吕刚,徐智达. 中国新通信. 2019(10)
[5]F-P级联MZ温度、应变同时测量的光纤传感器[J]. 上官春梅,何巍,张雯,骆飞,祝连庆. 光通信技术. 2018(01)
[6]基于光纤锥和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉湿度传感器[J]. 程君妮. 物理学报. 2018(02)
[7]双马赫-曾德尔分布式光纤扰动监测系统设计[J]. 崔光磊,衣文索,张叶浩,牛卫丛. 吉林大学学报(信息科学版). 2017(06)
[8]分布式光纤传感器的研究进展[J]. 叶雯. 移动通信. 2017(16)
[9]光纤传感技术的应用进展[J]. 吴军玲. 甘肃科技纵横. 2017(07)
[10]光纤传感器的发展及应用[J]. 余子珩. 电子测试. 2017(11)
博士论文
[1]煤矿开采多参量光纤光栅智能感知理论及关键技术[D]. 梁敏富.中国矿业大学 2019
[2]嵌入TLPFGs的Mach-Zehnder干涉型智能化光纤传感器的研究[D]. 陶沛琳.北京交通大学 2011
硕士论文
[1]分布式Sagnac光纤传感系统的振动信号模式识别研究[D]. 于发硕.新疆大学 2019
[2]基于光纤Φ-OTDR的振动信号采集分析研究[D]. 王伟.桂林电子科技大学 2019
[3]光纤Mach-Zehnder干涉仪的传感特性及无线传输系统研究[D]. 李壮壮.哈尔滨工业大学 2019
[4]光纤光栅水听器的研究[D]. 虞若雨.北京邮电大学 2019
[5]用于边坡监测的光纤Michelson位移传感器研究[D]. 田德中.大连理工大学 2018
[6]ROFDR光纤温度传感器[D]. 程亚洲.电子科技大学 2018
[7]分布式光纤拉曼测温仪温度和偏压控制系统设计[D]. 黄琦.太原理工大学 2017
[8]基于直线型Sagnac的分布式光纤振动检测定位系统[D]. 吴瑞东.太原理工大学 2017
[9]Michelson干涉型光纤振动传感系统模式识别方法的研究[D]. 王亮.吉林大学 2016
[10]基于Sagnac干涉的光纤传感技术在桥梁监测中的研究[D]. 李臣霞.北京交通大学 2014
本文编号：3212173
【文章来源】：安徽师范大学安徽省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Mach-Zehnder光纤干涉技术原理图
41.2.2基于Michelson干涉原理的分布式光纤振动传感器图1.2展示的是Michelson干涉仪[22]。激光器发出的光经过耦合器被分成两束光C1、C2，分别进入传感光纤和参考光纤，到达反射端面的称为参考光束，到达可动端面的称为测量光束。反射回来的光经过耦合器最终被探测器检测[38-40]。当有外界信号作用时，探测器可接收的光强为/2cos1IIs0）（（1.3）式中：0I是激光器光强，s是两路光通道的相位差，I是探测器接收到的光强。图1.2Michelson光纤干涉技术原理图XiaobinHong,JianWu,ChaoZuo,FangsenLiu等人描述了一种包含两个Michelson干涉仪的分布式光纤振动传感器[41]。使用了相位探测器和两个3×3耦合器来解调由振动引起的时变相位变化，两个干涉仪被四个波分复用器分开。振动的位置通过信号相关性获得，可以用做周界安全性传感器来定位入侵者。文章所展示的基于带有FRM的Michelson干涉仪的光纤振动传感器可以相应的减少极化效应，通过在4012m长的传感光纤上进行实验，证明了定位分辨率可达到m51。在提高精度的同时，模式识别也同样十分重要。随着信息时代的到来，传感技术正吸引着更多人的目光。吉林大学的王亮研究了Michelson干涉光纤振动的模式识别方法[40]，他使用了小波包变换和希尔伯特-黄变换用于提取小波包能量特征和边际频谱特征信号的方法。实验结果表明，该方法能够有效地区分各种瞬态扰动事件，该算法的分类准确率高达96.76％，并具有较高的辨识度。为了更好地服务于人们生产生活，预防自然灾害，减少人类不必要的损失，并进一步提高定位分辨率。2018年，大连理工大学的田德忠设计了一种基于光谱解调的光纤Michelson位移传感器系统用于边坡监测[42]。系统包括sm125-500扫描激光解调器、光纤耦合器、光纤Michelson干涉仪、信息处理装?
5光源光谱的影响；最后设计了FFT算法作为信号的解调方法，实现了信号的高效、大动态范围解调。对实验系统的偏振衰落问题进行了综合分析，并对法拉第旋转进行了研究。采用反射镜消除系统的偏振衰落，详细研究了光纤折射率的变化，然后通过实验来校准传感器系统保证了传感器的高测量性能。光纤利用拉伸装置进行拉伸，模拟实际边坡滑动。实验结果表明，这种低相干Michelson方法具有较高的精度，可以达到是m19、可重复性为m7.17、最高分辨率可以是m03n、动态范围为m10c。1.2.3基于Sagnac干涉原理的分布式光纤振动传感器图1.3Sagnac光纤干涉技术原理图图1.3是Sagnac光纤干涉仪结构，激光器通过耦合器分成两路光。两路光在同一个光纤环中分别按照顺、逆时针方向传输后，同一时间回到耦合器处并发生干涉，最终被光电探测器检测。当光纤上的某一点发生振动，这就使得两束走过同样路程所需的时间大不一样，相位的变化就此产生，那么光强的变化便可以调制出振动信息[43-46]。假设光源光强为0I，则C1和C2的光强为/20I，由已知的干涉原理，可得返回到光电探测器的光信号强度：cos1II）（0（1.4）式中：0I为光源光强；为顺、逆时针两路光的相位差；I是探测器接收到的光强。Kaczmarek提出了一种基于Sagnac干涉仪用于测量双折射光纤中模态双折射对压力的敏感度[47]。在该方法中，根据包括被测量的光纤在内的Sagnac干涉仪的压力灵敏度的测量结果和该光纤的群模态双折射的测量结果来确定光纤的模态双折射的压力灵敏度。利用上述方法，对波长为1460-1600nm的双折射光纤（光子晶体光纤和领结光纤）的模态双折射的压力敏感性进行了测量。使用此方法，对波长为1550nm的保偏光纤在20-70℃的温度范围内进行实验。将这些测量结果与通过其他方法获得的相同类型光纤?
【参考文献】：
期刊论文
[1]光纤传感器研究[J]. 林金梅,潘锋,李茂东,王恋,李仕平,黄国家. 自动化仪表. 2020(01)
[2]萨格纳克型的光纤振动传感器[J]. 曹世才,邹正峰,付雷,陈淑芬,冯义民,孟彦彬,朱昕玥. 光学技术. 2019(05)
[3]光纤温度传感器的研究与应用[J]. 巴朗旭. 数字通信世界. 2019(07)
[4]基于背向拉曼散射的分布式光纤温度传感器[J]. 谢辰昱,吕刚,徐智达. 中国新通信. 2019(10)
[5]F-P级联MZ温度、应变同时测量的光纤传感器[J]. 上官春梅,何巍,张雯,骆飞,祝连庆. 光通信技术. 2018(01)
[6]基于光纤锥和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉湿度传感器[J]. 程君妮. 物理学报. 2018(02)
[7]双马赫-曾德尔分布式光纤扰动监测系统设计[J]. 崔光磊,衣文索,张叶浩,牛卫丛. 吉林大学学报(信息科学版). 2017(06)
[8]分布式光纤传感器的研究进展[J]. 叶雯. 移动通信. 2017(16)
[9]光纤传感技术的应用进展[J]. 吴军玲. 甘肃科技纵横. 2017(07)
[10]光纤传感器的发展及应用[J]. 余子珩. 电子测试. 2017(11)
博士论文
[1]煤矿开采多参量光纤光栅智能感知理论及关键技术[D]. 梁敏富.中国矿业大学 2019
[2]嵌入TLPFGs的Mach-Zehnder干涉型智能化光纤传感器的研究[D]. 陶沛琳.北京交通大学 2011
硕士论文
[1]分布式Sagnac光纤传感系统的振动信号模式识别研究[D]. 于发硕.新疆大学 2019
[2]基于光纤Φ-OTDR的振动信号采集分析研究[D]. 王伟.桂林电子科技大学 2019
[3]光纤Mach-Zehnder干涉仪的传感特性及无线传输系统研究[D]. 李壮壮.哈尔滨工业大学 2019
[4]光纤光栅水听器的研究[D]. 虞若雨.北京邮电大学 2019
[5]用于边坡监测的光纤Michelson位移传感器研究[D]. 田德中.大连理工大学 2018
[6]ROFDR光纤温度传感器[D]. 程亚洲.电子科技大学 2018
[7]分布式光纤拉曼测温仪温度和偏压控制系统设计[D]. 黄琦.太原理工大学 2017
[8]基于直线型Sagnac的分布式光纤振动检测定位系统[D]. 吴瑞东.太原理工大学 2017
[9]Michelson干涉型光纤振动传感系统模式识别方法的研究[D]. 王亮.吉林大学 2016
[10]基于Sagnac干涉的光纤传感技术在桥梁监测中的研究[D]. 李臣霞.北京交通大学 2014
本文编号：3212173
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