反射式强度型光纤传感器强度调制特性的数学模型与关键技术的研究

发布时间：2020-10-26 09:00

　　 作为光纤传感领域中重要的一族，反射式强度型光纤传感器(简称RIM-FOS)以其结构简单、性能可靠、设计灵活、价格低廉等优点引起了广泛关注。本文在反射光的分布、RIM-FOS的数学模型、强度补偿的理论与方法、传感器特性的仿真与测试、以及可用于传感器辅助设计和制作的计算机仿真测试系统等诸多方面进行了较为系统深入的研究。论文的主要研究内容包括： 1．参考几何法建立的光纤对光强调制函数，首次引入反射面的倾斜因子以及形状因子，建立了相应的数学模型。然后，采用数值仿真的方法系统地研究了多模光纤参数(包括光纤对轴间距、光纤芯径和光纤数值孔径)、反射面倾斜因子以及形状因子对RIM-FOS强度调制特性的影响规律。 2．引入了Beckmann关于随机粗糙表面光散射理论的相关研究结论，基于衍射分析法建立了准高斯光经过反射面后的反射光分布模型。 3．根据所得到的准高斯反射光分布模型，建立了通用的三光纤传感器的强度调制函数。同时，采用“改进的平均间距法”建立了随机型光纤束的数学模型。此外，还对同轴型、双束型、双圈型和同轴随机型光纤束的调制函数进行了详细地推导，得到了具有系统性和关联性的光纤束强度调制函数。然后，仿真比较了各种结构的RIM-FOS的理论特性。 4．用能量流分析法推导了用分光镜分光进行强度补偿的分光比计算公式，详细讨论了入射光的强度不变而偏振方向变化以及二者同时变化对分光比的影响。采用模拟实验验证了分光镜分光中出现反向涨落的现象，提出了具体的解决办法。 5．提出了一种带随机型分光端的“Π”型光纤束分光补偿结构，并与分光镜分光补偿的强度补偿效果进行了实验比较。同时，首次从纯数学的角度分析了光束方向漂移对中孔光电池、半圆光电池以及“Π”型光纤束分光补偿精度的影响。此外，还提出并实验研究了“Π型光纤束分光+神经网络”的强度补偿法。 6．提出了用计算机仿真测试系统辅助RIM-FOS设计及制造的思想，并首次提出了RIM-FOS的最佳设计制作流程。 7．综合采用了一些关键技术，首次设计了一套能够完成RIM-FOS特性仿真和特性测试的计算机仿真测试系统。同时，还提出了归一化特性曲线的参数化描述方法。 8．设计若干典型实验检验了仿真测试系统的性能。结果表明，该系统不但可完成RIM-FOS特性仿真和特性测试功能，而且还可以开机即测且不受环境光干扰和光源功率波动的影响，测试稳定性好，重复性较高。
【学位单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2002
【中图分类】：TP212
【部分图文】：

根据上述基于衍射理论分析法得出的理论公式，在其它参数已知的条件下，我们可以仿真计算出多模阶跃发送光纤出射端光强的分布图。图3.3绘出了经过归一化的I，(下标N表示归一化)随砷d同时变化的三维图。从图中可直观地看出，I，沿径向p的分布呈准高斯型分布。在靠近光纤出射端的位置，光斑尺寸较小，但是中心亮度最高;随着距离的增加，中心光强呈负指数衰减，而光斑的尺寸变大。图3.3多模阶跃发送光纤出射端光强分布的三维图那.3基于准高斯光强分布和Beckmann散射理论的反射光模型从发送光纤出射的光经过反射面反射后，由于反射面的反射特性不同，所形成的反射光场也会存在非常大的差异

仿真运算的高效性和快速性、结果处理的直观性以及可视化界面的友好性。该仿真软件包的设计充分运用了软件工程的理论和方法进行指导。图6.14就是我们所设计的仿真测试系统仿真软件包的主界面。对于本系统来说，RIM一FOS的理论特性仿真就是要根据用户输入的光纤结构和光纤参数以及所做的光强分布假设，分别调用对应于不同的租M一FOS强度调制特性数学模型的子函数，计算并定性、定量分析它的理论响应特性。因此，仿真软件的主界面从功能上相应地划分为用户输入区、图形显示区、结果描述区三大块。用户输入区主要包括光纤结构、光强分布假设、仿真模式的选择以及与光纤结构相对应的光纤参数设置等。当用户确定了需要仿真的班M一FOS结构和参数后，首先在用户输入区选择光纤结构(此时将自动出现对应的RIM一FOS浮动图标)，再根据实际情况选择光强分布假设(如果仅需要获得定性结果，则选择几何法即可，因快捷键主菜单参数设置页特性测试页浮动图标魂鹜.图6.14仿真软件的主界面图第97页
【引证文献】

相关期刊论文 前4条

1 肖文;李瑞;刘德文;伊小素;;光纤读出的微光机电振动传感器[J];北京航空航天大学学报;2006年11期

2 蔡洁;张认成;吴仕平;张亮;;反射式强度型光纤声音传感器的光强调制特性[J];华侨大学学报(自然科学版);2010年03期

3 张平;张小栋;刘春翔;;双圈同轴式光纤位移传感器的输出特性[J];西安交通大学学报;2012年03期

4 杨亮;张小栋;;双圈同轴光纤束位移传感器研究[J];振动、测试与诊断;2009年02期

相关硕士学位论文 前10条

1 姚刚;微纳米级组合式非接触测量技术的研究[D];北京邮电大学;2011年

2 张永奎;基于光纤传感技术的钢球表面缺陷检测研究[D];济南大学;2011年

3 陆丽;基于光纤端面回波的液体特性检测方法研究[D];天津大学;2010年

4 杨秋虎;基于强度调制的光纤位移传感器信号处理技术研究及电路实现[D];华中科技大学;2011年

5 祝永晶;涡轮叶片温度和位移的检测技术研究[D];燕山大学;2006年

6 施慧杰;柴油机缸套—活塞环油膜厚度传感器的设计[D];武汉理工大学;2007年

7 徐志保;反射式光纤声音传感器的关键技术研究[D];华侨大学;2008年

8 隋鑫;深孔内径光电检测技术研究[D];长春理工大学;2009年

9 韩冰;反射式强度调制型光纤声压传感器的设计与研究[D];华中科技大学;2008年

10 陈昀昊;反射式光纤氢气传感器信号处理模块的设计与实现[D];华中科技大学;2009年

本文编号：2856792