基于錯位和無芯的高靈敏度及偏振調(diào)制光纖傳感研究.pdf

1、光纖傳感技術(shù)是以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳感外界被測量信號的新型傳感技術(shù)。作為被測信號載體的光波和作為傳播媒質(zhì)的光纖，具有抗電磁干擾能力強、易為各種光電探測器件接收、方便光電轉(zhuǎn)換以及適用于遠程監(jiān)測等優(yōu)點。光纖傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢是高靈敏度、高精度、多參數(shù)、同步在線、功能集成以及網(wǎng)絡(luò)化等。本論文系統(tǒng)研究了包括干涉?zhèn)鞲?、激光傳感、腔衰蕩傳感和偏振傳感四種新型結(jié)構(gòu)的光纖傳感器的工作原理。并在分析上述傳感器的理論基礎(chǔ)上，對它們應(yīng)用于溫度、濃

2、度和旋光角的測量進行了詳細的實驗探究，主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新成果包括以下幾個方面。
　　(1)在依據(jù)光纖中模式傳播特性基本原理的基礎(chǔ)上，對錯位光纖、無芯光纖和法拉第旋鏡組成的混合馬澤-邁克爾遜結(jié)構(gòu)的模式干涉和錯位光纖傳感結(jié)構(gòu)不同位置處的電場分布進行理論建模分析，并進一步對干涉信號模式傳播的數(shù)據(jù)進行擬合，深入比較和分析了使用法拉第旋鏡消除光纖中的偏振態(tài)變化、補償極化引起的信號衰減和消除外部擾動的原因和結(jié)果，為光纖混合干涉型傳感技術(shù)應(yīng)用于

3、溫度和濃度測量研究奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)對混合馬澤-邁克爾遜結(jié)構(gòu)的模式干涉技術(shù)應(yīng)用于溫度和濃度測量進行了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理設(shè)置的實驗研究。
　　1）靈敏度增強型基于錯位光纖的混合馬澤-邁克爾遜干涉的溫度傳感系統(tǒng)。通過使用法拉第旋鏡使光纖傳感器具有較寬的應(yīng)用測量范圍，同時該系統(tǒng)可以有效地消除偏振狀態(tài)隨機變化帶來的影響，提高了系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性。
　　2）基于無芯光纖的多模干涉效應(yīng)理論，實現(xiàn)了一個單模-無芯-單模-錯位結(jié)構(gòu)的

4、溫度自補償?shù)臏囟群蜐舛葴y量傳感系統(tǒng)。所制備的單模-無芯-單模-錯位傳感部分最后通過檢測反射的包層模波長漂移實現(xiàn)了對溫度和液體濃度的測量，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到進一步提高。同時創(chuàng)新性的實驗驗證了無芯光纖對三種重金屬溶液濃度的線性傳感規(guī)律，為在一定范圍內(nèi)為檢測重金屬溶液濃度提供了一種有效的手段。
　　對比分析了基于錯位光纖的激光測溫方法與FRM干涉測溫方法，二者主要不同點在于錯位光纖在激光測溫系統(tǒng)中相當(dāng)于濾波器，激光輸出位置只選擇在錯位光

5、纖干涉光譜的波峰處，因此，激光的中心波長將隨著溫度的變化而發(fā)生平移。實驗對比結(jié)果表明，錯位光纖的FRM干涉測溫法靈敏度和穩(wěn)定性均優(yōu)于激光測溫法。
　　實現(xiàn)了對錯位光纖溫度傳感系統(tǒng)和無芯錯位光纖濃度傳感系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的光譜分析和算法優(yōu)化處理。分別利用改進BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和改進ELMAN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和預(yù)測。給出了改進神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，詳細分析了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程和參數(shù)的選取，最后分別對比說明了溫度和濃度數(shù)據(jù)的預(yù)測值分析及誤差分析，

6、同時驗證了該算法在光纖溫度和濃度傳感上的可行性，這也為錯位光纖在壓力、曲率等其他物理量傳感上的精確測量提供了新思路。
　　(3)提出了基于錯位光纖的腔衰蕩光譜技術(shù)的溫度傳感系統(tǒng)。根據(jù)朗伯-比爾定律理論分析了環(huán)腔損耗及衰蕩時間與錯位傳感部分隨溫度變化的關(guān)系，錯位量的變化和由溫度引起的錯位長度的變化最終可以通過測量衰蕩時間檢測出來，該系統(tǒng)改進了光譜解調(diào)方式并簡化了信號的采集處理過程。實驗結(jié)果表明，當(dāng)選擇不同錯位量時，通過曲線擬合獲得了

7、衰蕩時間τ和錯位量D之間的關(guān)系，錯位量對衰蕩輸出波形有較大的影響。若輸入光功率足夠大，錯位光纖的引入使腔內(nèi)總損耗增加從而導(dǎo)致衰蕩時間明顯減少。
　　(4)針對現(xiàn)有干涉型濃度傳感系統(tǒng)存在的測量精度不高和解調(diào)困難等問題，提出了一種新型兩級調(diào)制的磁致旋光角和濃度的偏振測量傳感系統(tǒng)。這種技術(shù)將傳統(tǒng)的直流調(diào)制磁光檢測技術(shù)與交流調(diào)制磁光檢測技術(shù)相結(jié)合，去除了純交流調(diào)制產(chǎn)生的磁旋光角變化引起的誤差。設(shè)計實現(xiàn)了脈沖寬度調(diào)制控制的交直流調(diào)制信號源。