高精度强度调制型光纤传感关键技术及其应用研究
发布时间：2021-01-08 02:08
强度调制型光纤传感器是光纤传感器的重要类型,由于结构简单、解调容易、可绝对测量、抗干扰和成本低等优点,在光纤传感技术发展初期即被广泛研究并最早进入商业应用。然而,传统的强度调制型光纤传感器在结构设计和信号处理方面投入较少,导致光源输出功率波动和光路寄生强度调制严重影响了传感器的测量精度和稳定性,因此强度调制型光纤传感一直被认为是一种低精度传感手段,影响了这类型光纤传感器的应用。本文在分析现有强度调制型光纤传感器强度补偿技术的基础上,提出了一种基于脉冲自参考的强度补偿技术,从理论上可以完全抑制光源强度波动、光路传输损耗变化、耦合器耦合比波动、光电探测器响应度差异等诸多影响因素;本文基于该技术设计了高精度强度调制型光纤传感方案并进行了相应实验研究。通过对所设计的高精度强度调制型光纤传感方案在强度补偿能力、噪声和稳定性三方面的工作性能进行测试和优化,使其初步具备了物理量高精度传感的能力。在此基础上,为扩展其应用范围和验证其实现高精度传感的能力,利用优化后的系统,通过具体传感单元的设计,分别进行了基于光纤端面菲涅耳反射的折射率传感、基于低折射率涂覆材料覆盖的微纳光纤探头的温度传感和基于光纤端面...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
基于光纤微弯传感的心率与呼吸监测传感器[25]
。以光纤Michelson干涉仪型为例，它是一种双光束干涉仪，光束被耦合器分为两路光经过信号臂和参考臂的各自反射，再经过耦合器输出干涉，其干涉波形取决于两臂光程差，当信号臂受外界扰动时，光程差发生变化，从而反映到干涉信号之中实现传感。该类型的相位调制型光纤传感器在诸多物理量探测领域均有应用，如水声信号[14]、液体流速探测[27]、温度和折射率探测[28]等。下图1.2所示为信号端接入高双折射(highbirefringence,Hi-Bi)光纤的Michelson干涉仪，通过测量干涉消光比的变化，能实现温度和折射率的同时测量。图1.2信号端接入Hi-Bi光纤的Michelson干涉仪[28]1.2.2.4偏振调制型光纤传感器利用外界信号引起光纤中光波模式的偏振态变化来探测物理量的光纤传感器，称为偏振调制型光纤传感器[1]。根据原理方式不同，又可以将其分为功能型偏振调制和非功能型偏振调制。前者是利用光纤自身的磁光效应和弹光效应等物理效应来实现对外界信号的响应，后者主要是利用透明介质的磁光效应和旋光特性，即Farady效应和Pockel光电效应。目前能够直接改变光纤中传输光偏振态的物理量主要是磁场（电场），即利用磁光效应进行调制，制成磁尝电
国防科技大学研究生院硕士学位论文第4页流传感器[29-31]。下图1.3所示是一种电流传感器，它通过将光纤盘绕在导线周围，利用导线中通过的电流来改变光纤所处磁场环境，利用磁致旋光效应正比于传导的电流的特点，通过检测光纤中传输光的偏振态变化，来获取电流大小信息。图1.3盘绕光纤的偏振调制型光纤电流传感器[29]1.2.2.5频率调制型光纤传感器利用外界信号对光纤中传输的光波频率进行调制以探测物理量的光纤传感器，称为频率调制型光纤传感器。目前使用较多的是利用运动物体的反射光或散射光的多普勒（Doppler）频移效应来检测物体的运动速度、液体的流量与流速等。Larry.Fabiny等人在1997年提出的光纤速度干涉仪[32]就是其中的一个典型例子：经过运动物理反射回耦合器的光在干涉仪上被分为两路，由于两臂有光程差的存在，t时刻的反射光经过短臂能与t-τ时刻的光进行混频，这两束光的多普勒频移ν(t)和ν(tτ)分别与运动物体速度u(t)和u(tτ)对应，从而实现对于速度的传感，其原理图如图1.4所示。图1.4频率调制型光纤速度干涉仪结构图[32]1.3强度调制型光纤传感概述作为被最早利用的光纤传感技术，强度调制型光纤传感器通过检测外界物理
【参考文献】：
期刊论文
[1]Miniature temperature sensor based on optical microfiber[J]. 卫正统,宋章启,张学亮,于洋,孟洲. Chinese Optics Letters. 2013(11)
[2]利用ZnO薄膜温变特性构建光纤温度传感器[J]. 隋成华,郑东,刘玉玲,蔡萍根,许晓军. 光电工程. 2009(10)
[3]磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 真空. 2009(02)
[4]Optical fiber temperature sensor based on wavelength-dependent detection[J]. 李志刚,杜振辉,王宝光,蒋诚志. Chinese Optics Letters. 2004(04)
[5]半导体吸收式光纤温度传感器[J]. 许忠保,叶虎年,叶梅. 半导体光电. 2004(01)
[6]强度型光纤传感器补偿技术的研究综述[J]. 杨华勇,吕海宝,徐涛,罗武胜. 激光技术. 2002(06)
[7]强度型光纤传感测试系统的稳定性研究[J]. 罗武胜,徐涛,吕海宝,杨华勇. 仪表技术与传感器. 2002(10)
[8]Multimode Optical Fiber Displacement Sensor[J]. SHANG Li-ping, ZHENG De-zhong, YU Si-yuan, SHI Jin-shan (Yanshan University, Qinhuangdao 066004, CHN). Semiconductor Photonics and Technology. 2000(03)
[9]Lyot退偏器的相干分析[J]. 池灏,章献民,陈抗生,徐森禄. 浙江大学学报(工学版). 2000(02)
[10]激光偏振方向和强度变化对分光光强的影响[J]. 吕海宝,冯勤群,周卫红,曹聚亮,徐涛,陈智锋. 光学技术. 1999(05)
博士论文
[1]微纳光纤倏逝场特性及微污染传感技术研究[D]. 卫正统.国防科学技术大学 2013
[2]光纤传感复用扩容与组网应用研究[D]. 李晓磊.华中科技大学 2013
[3]强度调制型光纤传感器建模分析与设计实现[D]. 朱珊莹.华中科技大学 2011
[4]基于黑体腔特性的光纤高温测试技术及系统的研究[D]. 蔡璐璐.燕山大学 2010
[5]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[D]. 杨华勇.国防科学技术大学 2002
硕士论文
[1]InGaAs PIN光电探测器和ASE宽谱光源的老化研究[D]. 金露凡.天津大学 2014
[2]2×2单模光纤耦合器的偏振特性研究[D]. 郝蕴琦.哈尔滨工程大学 2007
本文编号：2963696
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
基于光纤微弯传感的心率与呼吸监测传感器[25]
。以光纤Michelson干涉仪型为例，它是一种双光束干涉仪，光束被耦合器分为两路光经过信号臂和参考臂的各自反射，再经过耦合器输出干涉，其干涉波形取决于两臂光程差，当信号臂受外界扰动时，光程差发生变化，从而反映到干涉信号之中实现传感。该类型的相位调制型光纤传感器在诸多物理量探测领域均有应用，如水声信号[14]、液体流速探测[27]、温度和折射率探测[28]等。下图1.2所示为信号端接入高双折射(highbirefringence,Hi-Bi)光纤的Michelson干涉仪，通过测量干涉消光比的变化，能实现温度和折射率的同时测量。图1.2信号端接入Hi-Bi光纤的Michelson干涉仪[28]1.2.2.4偏振调制型光纤传感器利用外界信号引起光纤中光波模式的偏振态变化来探测物理量的光纤传感器，称为偏振调制型光纤传感器[1]。根据原理方式不同，又可以将其分为功能型偏振调制和非功能型偏振调制。前者是利用光纤自身的磁光效应和弹光效应等物理效应来实现对外界信号的响应，后者主要是利用透明介质的磁光效应和旋光特性，即Farady效应和Pockel光电效应。目前能够直接改变光纤中传输光偏振态的物理量主要是磁场（电场），即利用磁光效应进行调制，制成磁尝电
国防科技大学研究生院硕士学位论文第4页流传感器[29-31]。下图1.3所示是一种电流传感器，它通过将光纤盘绕在导线周围，利用导线中通过的电流来改变光纤所处磁场环境，利用磁致旋光效应正比于传导的电流的特点，通过检测光纤中传输光的偏振态变化，来获取电流大小信息。图1.3盘绕光纤的偏振调制型光纤电流传感器[29]1.2.2.5频率调制型光纤传感器利用外界信号对光纤中传输的光波频率进行调制以探测物理量的光纤传感器，称为频率调制型光纤传感器。目前使用较多的是利用运动物体的反射光或散射光的多普勒（Doppler）频移效应来检测物体的运动速度、液体的流量与流速等。Larry.Fabiny等人在1997年提出的光纤速度干涉仪[32]就是其中的一个典型例子：经过运动物理反射回耦合器的光在干涉仪上被分为两路，由于两臂有光程差的存在，t时刻的反射光经过短臂能与t-τ时刻的光进行混频，这两束光的多普勒频移ν(t)和ν(tτ)分别与运动物体速度u(t)和u(tτ)对应，从而实现对于速度的传感，其原理图如图1.4所示。图1.4频率调制型光纤速度干涉仪结构图[32]1.3强度调制型光纤传感概述作为被最早利用的光纤传感技术，强度调制型光纤传感器通过检测外界物理
【参考文献】：
期刊论文
[1]Miniature temperature sensor based on optical microfiber[J]. 卫正统,宋章启,张学亮,于洋,孟洲. Chinese Optics Letters. 2013(11)
[2]利用ZnO薄膜温变特性构建光纤温度传感器[J]. 隋成华,郑东,刘玉玲,蔡萍根,许晓军. 光电工程. 2009(10)
[3]磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 真空. 2009(02)
[4]Optical fiber temperature sensor based on wavelength-dependent detection[J]. 李志刚,杜振辉,王宝光,蒋诚志. Chinese Optics Letters. 2004(04)
[5]半导体吸收式光纤温度传感器[J]. 许忠保,叶虎年,叶梅. 半导体光电. 2004(01)
[6]强度型光纤传感器补偿技术的研究综述[J]. 杨华勇,吕海宝,徐涛,罗武胜. 激光技术. 2002(06)
[7]强度型光纤传感测试系统的稳定性研究[J]. 罗武胜,徐涛,吕海宝,杨华勇. 仪表技术与传感器. 2002(10)
[8]Multimode Optical Fiber Displacement Sensor[J]. SHANG Li-ping, ZHENG De-zhong, YU Si-yuan, SHI Jin-shan (Yanshan University, Qinhuangdao 066004, CHN). Semiconductor Photonics and Technology. 2000(03)
[9]Lyot退偏器的相干分析[J]. 池灏,章献民,陈抗生,徐森禄. 浙江大学学报(工学版). 2000(02)
[10]激光偏振方向和强度变化对分光光强的影响[J]. 吕海宝,冯勤群,周卫红,曹聚亮,徐涛,陈智锋. 光学技术. 1999(05)
博士论文
[1]微纳光纤倏逝场特性及微污染传感技术研究[D]. 卫正统.国防科学技术大学 2013
[2]光纤传感复用扩容与组网应用研究[D]. 李晓磊.华中科技大学 2013
[3]强度调制型光纤传感器建模分析与设计实现[D]. 朱珊莹.华中科技大学 2011
[4]基于黑体腔特性的光纤高温测试技术及系统的研究[D]. 蔡璐璐.燕山大学 2010
[5]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[D]. 杨华勇.国防科学技术大学 2002
硕士论文
[1]InGaAs PIN光电探测器和ASE宽谱光源的老化研究[D]. 金露凡.天津大学 2014
[2]2×2单模光纤耦合器的偏振特性研究[D]. 郝蕴琦.哈尔滨工程大学 2007
本文编号：2963696
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