基于频移干涉光纤腔衰荡技术的压力/应力传感方法研究

发布时间：2021-01-07 08:13

　　光纤腔衰荡传感技术因具有高稳定性和高灵敏度等优点日益受到国内外研究学者的广泛关注,并在压力和应力检测中得到了初步的应用。然而,传统光纤腔衰荡传感技术存在因使用脉冲光、快速探测器、高速示波器而导致的成本较高的问题,使其很难获得广泛的实际应用。为此,本论文将频移干涉技术和光纤腔衰荡传感技术相融合,提出了频移干涉光纤腔衰荡压力/应力传感技术,该技术不但因使用连续波激光器、慢速探测器和慢速采集卡而降低了成本,而且因采用差分探测改善了传感系统的稳定性。本论文完成的主要研究内容和取得的成果如下:1.提出了一种基于频移干涉光纤腔衰荡技术的压力传感方法,并进行了实验验证。采用一段剥去涂覆层的单模光纤作为传感头,在0-10.4 MPa范围内测量了压力。通过对探测到的差分信号作傅里叶变换,得到了不同压力条件下的空间域衰荡信号。实验结果表明:衰荡距离的倒数差与压力之间满足很好的线性关系,其斜率表明传感系统的灵敏度可达0.024(km^-1?MPa^-1),且灵敏度还可以通过增大传感头的作用长度得到改善。稳定性实验表明:系统稳定性可高达0.1%,对应的压力探测极限可达0... 

【文章来源】：湖北工业大学湖北省

【文章页数】：70 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

光纤腔衰荡压力传感系统

湖北工业大学硕士学位论文3尽管光路中采用了光纤光栅（FBG）作为滤波器对EDFA的自发辐射噪声进行滤除，但是传感信号仍然存在很明显的基线漂移现象，这种基线漂移现象影响了测量的精度和系统的稳定度。2016年，S.Yang等人提出了一种基于萨格奈克效应和光纤腔衰荡传感技术的压力传感器[18]。他们利用该技术在压力40-350N的探测范围内获得了0.4ns/N的灵敏度。2017年，Y.Yang等人研究了基于光纤腔衰荡传感技术的静冰压力探测方法[19]，探测系统由一个锁模激光器，两个2×1的光纤耦合器，一根单模光纤，一个实时微弯的光纤传感头和一个光探测器组成。利用该测量系统，他们通过测量外部冰压引起的衰荡时间改变值来监测静冰压力，并获得了高达0.00998μs-1kPa-1的压力灵敏度。图1-2有源光纤腔衰荡压力传感系统在光纤腔衰荡压力传感器发展的同时，光纤腔衰荡应力传感器也同步发展了起来。2004年，P.B.Tarsa等人首次研究了基于双锥形光纤的光纤腔衰荡应力传感器[9]。通过将光纤拉锥技术和光纤腔衰荡传感技术相结合，该传感器获得了79nε/HZ1/2的灵敏度，相应的最小可探测位移为4.8nm。2007年，N.Ni等人研究了基于长周期光纤光栅的光纤腔衰荡应力传感器[20]，他们采用如图1-3所示的实验光路，通过位移台对长周期光纤光栅加载不同应变，测量了加载不同应变时的衰荡时间，获得了1.261ns/με的灵敏度，最小可探测应变为9με。2008年，H.Qiu等人研究了基于光纤腔衰荡传感技术和光纤模式转换原理的应变测量方法[21]。利用多模光纤弯曲损耗理论解释了应变引起的环衰荡腔损耗机理。利用该方法，他们通过测量应变引起的衰减时间的变化，实现了高达800με大应变传感范围的实时测量。图1-3基于LPG的光纤腔衰荡应力传感实验系统

湖北工业大学硕士学位论文3尽管光路中采用了光纤光栅（FBG）作为滤波器对EDFA的自发辐射噪声进行滤除，但是传感信号仍然存在很明显的基线漂移现象，这种基线漂移现象影响了测量的精度和系统的稳定度。2016年，S.Yang等人提出了一种基于萨格奈克效应和光纤腔衰荡传感技术的压力传感器[18]。他们利用该技术在压力40-350N的探测范围内获得了0.4ns/N的灵敏度。2017年，Y.Yang等人研究了基于光纤腔衰荡传感技术的静冰压力探测方法[19]，探测系统由一个锁模激光器，两个2×1的光纤耦合器，一根单模光纤，一个实时微弯的光纤传感头和一个光探测器组成。利用该测量系统，他们通过测量外部冰压引起的衰荡时间改变值来监测静冰压力，并获得了高达0.00998μs-1kPa-1的压力灵敏度。图1-2有源光纤腔衰荡压力传感系统在光纤腔衰荡压力传感器发展的同时，光纤腔衰荡应力传感器也同步发展了起来。2004年，P.B.Tarsa等人首次研究了基于双锥形光纤的光纤腔衰荡应力传感器[9]。通过将光纤拉锥技术和光纤腔衰荡传感技术相结合，该传感器获得了79nε/HZ1/2的灵敏度，相应的最小可探测位移为4.8nm。2007年，N.Ni等人研究了基于长周期光纤光栅的光纤腔衰荡应力传感器[20]，他们采用如图1-3所示的实验光路，通过位移台对长周期光纤光栅加载不同应变，测量了加载不同应变时的衰荡时间，获得了1.261ns/με的灵敏度，最小可探测应变为9με。2008年，H.Qiu等人研究了基于光纤腔衰荡传感技术和光纤模式转换原理的应变测量方法[21]。利用多模光纤弯曲损耗理论解释了应变引起的环衰荡腔损耗机理。利用该方法，他们通过测量应变引起的衰减时间的变化，实现了高达800με大应变传感范围的实时测量。图1-3基于LPG的光纤腔衰荡应力传感实验系统

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：2962221