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基于长周期光纤光栅的干涉型传感器

基于长周期光纤光栅的干涉型传感器

作者：周兆帅中国计量学院

学位级别：硕士

与传统的传感器相比,光纤传感器具有抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、体积小、灵敏度高、易成网、可兼容、分布式测量等众多优点,在工程健康监测、石油化工、生物医学、舰船和航天器等领域都有广阔的应用前景,并且是未来物联网的重要组成... 详细信息

与传统的传感器相比,光纤传感器具有抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、体积小、灵敏度高、易成网、可兼容、分布式测量等众多优点,在工程健康监测、石油化工、生物医学、舰船和航天器等领域都有广阔的应用前景,并且是未来物联网的重要组成部分。本论文基于光纤传感技术、光纤光栅技术和光纤干涉技术,研究以下方面的内容:1、阐述了光纤传感技术的发展和长周期光纤光栅在传感原理及应用;研究了基于长周期光纤光栅的干涉型传感器的发展现状。2、研究了长周期光纤光栅的分类和基本理论,对长周期光纤光栅进行了数值模拟,模拟并讨论了刻写周期和长度对透射谱的影响。3、阐述了长周期光纤光栅的制备方法并实际制备了实验所需的长周期光纤光栅。4、提出了一种基于长周期光纤光栅和错位熔接结构的新型干涉型传感器。长周期光纤光栅激发包层模,传播一段距离后经错位熔接点栅耦合回纤芯,与在纤芯中传播的光波发生干涉。错位熔接点在受到横向压力和弯曲作用时,透射谱的消光比或相位会发生变化,从而实现了对横向压力和弯曲角度的传感。另外,该干涉结构还可用于对折射率的传感。5、提出了一种基于长周期光纤光栅和腰椎放大结构的干涉型传感器。长周期光纤光栅激发包层模,传播一段距离后经腰椎放大结构耦合回纤芯,与在纤芯中传播的光波发生干涉。腰椎放大结构在受到横向压力和弯曲作用时,透射谱的相位或者消光比会发生变化。实验结果证明该干涉型传感器结构简单,成本低,灵敏度高。

关键词：光纤传感器干涉型传感器长周期光纤光栅错位熔接腰椎放大

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干涉型光纤传感器

光通信技术 1988年第1期 59-67页

作者：刘晋春

一、前言光干涉法是指从含有所需测量信息的光波与作为基准的激光进行频率混合,从由此发生的光差拍信号中得知光波信息(振幅、位相、频率、偏振光)的技术。用偏振保持光纤作传感器或用偏振保持光纤作双信道光信号传输线,则能利用光干涉... 详细信息

一、前言光干涉法是指从含有所需测量信息的光波与作为基准的激光进行频率混合,从由此发生的光差拍信号中得知光波信息(振幅、位相、频率、偏振光)的技术。用偏振保持光纤作传感器或用偏振保持光纤作双信道光信号传输线,则能利用光干涉检波技术对各物理量——温度、压力、变形、变位、回转(回转仪)、磁场、电场、膜厚以及折射率

关键词：偏振保持光纤光源辐射源光束分裂器光纤传感器 PMF 干涉型传感器线偏振光差拍频率光通信技术形变传感器相位差捷克布拉格光强度调制差拍信号偏振光束信号光

基于Michelson干涉仪的光纤分布式扰动传感器(英文)

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红外与激光工程 2015年第1期44卷 205-209页

作者：李勤王洪波李立京梁生钟翔北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191 中国电子科技集团公司第三研究所北京100015 中国航天科技集团公司上海航天控制技术研究所上海200233 北京交通大学理学院物理系发光与光信息技术教育部重点实验室北京100044

提出并研究了基于Michelson干涉仪的应用于检测时变扰动的光纤分布式传感器。所提出的光纤传感器由两个Michelson干涉仪和一个光纤延迟环组成。扰动作用在传感光纤上,引起传输光波相位的调制作用,可以通过该传感器进行检测并得到扰动的... 详细信息

提出并研究了基于Michelson干涉仪的应用于检测时变扰动的光纤分布式传感器。所提出的光纤传感器由两个Michelson干涉仪和一个光纤延迟环组成。扰动作用在传感光纤上,引起传输光波相位的调制作用,可以通过该传感器进行检测并得到扰动的位置信息。通过光电探测器对干涉信号进行接收。对接收到的信号进行隔直,并通过求取峰峰值的方法对隔直后的信号进行预处理。通过希尔伯特变换、相位去包裹和三角函数运算可以提取出预处理信号中包含的相位信息。最后,通过频谱分析和相应的数学运算可以实现扰动的定位。在20 km的监测距离内通过实验验证了传感器的可行性。所提出的光纤传感器具有实时性好、抗偏振性、低成本的独特优势。

关键词：光纤分布式扰动传感器干涉型传感器 Michelson干涉仪

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基于光纤干涉结构的光纤激光高温传感系统研究

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基于光纤干涉结构的光纤激光高温传感系统研究

作者：刘灏冲北京信息科技大学

学位级别：硕士

高温及超高温传感系统在空天装备及其他高温极端环境传感监测方面发挥着重要作用,光纤高温传感技术作为高温环境监测的关键技术之一,对空天装备的在轨航行以及结构健康监测至关重要。提升光纤高温传感器件测试量程、分辨率、稳定性等性... 详细信息

高温及超高温传感系统在空天装备及其他高温极端环境传感监测方面发挥着重要作用,光纤高温传感技术作为高温环境监测的关键技术之一,对空天装备的在轨航行以及结构健康监测至关重要。提升光纤高温传感器件测试量程、分辨率、稳定性等性能指标是满足高温传感技术发展的重大需求。随着光学精密器件制备技术水平的提高,干涉型光纤传感器因其具有抗电磁干扰、响应快、结构紧凑、灵敏度高等特点,在航天航空领域中具有较大的应用前景。然而干涉型光纤传感器干涉光谱信噪比低、线宽较宽,在信号解调时不利于寻峰。因此,通过将传统干涉传感系统改良成激光系统后光谱具有高信噪比、窄线宽等优势,研究面向高温环境的干涉结构激光传感系统具有重要的研究意义。具体开展的研究内容如下:1、围绕高温传感应用需求,分别研究光纤马赫-曾德尔(Mach-Zehnder,MZ)干涉、光纤法布里-佩罗(Fabry-Perot,FP)干涉原理,构建光纤MZ干涉结构和FP干涉结构数学模型,从理论上研究温度和应变对干涉光谱的影响;研究掺铒光纤激光器结构和光纤激光器传感原理,以干涉结构作为光纤激光器的滤波结构,通过光谱仿真模拟滤波光谱随着干涉结构折射率和干涉腔长的变化规律,分析基于光纤干涉结构的掺铒光纤激光器滤波特性。2、研究基于MZ干涉结构的掺铒光纤激光器的应变和温度传感特性。以悬浮芯光纤(suspended core fiber,SCF)与单模光纤(single mode fiber,SMF)级联形成SMF-SCF-SMF结构,通过FDTD Solutions和Rsoft模拟悬浮芯光纤中的光波导模场,并测试不同长度的悬浮芯光纤的传输光谱,研究腔长对滤波的影响。搭建基于悬浮芯微结构光纤MZ滤波结构的掺铒光纤激光器并开展传感特性研究,随着悬浮芯光纤的拉伸,激光光谱蓝移,并在单波长和双波长之间切换,系统的应变灵敏度为1.80 pm/με,线性度为98.30%;随着温度的升高,激光波长红移,系统的温度灵敏度为1.88 pm/℃,线性度为98.58%。3、研究基于化学腐蚀制备的光纤FP结构掺铒光纤激光器温度传感特性。通过化学腐蚀法制备了FP微腔,其反射光谱呈多级干涉波形,主干涉谱对应空气腔,次级干涉谱对应二氧化硅腔,将其作为掺铒光纤激光器的滤波器件实现稳定的激光输出。在高温环境下,随着温度升高,激光波长红移,温度灵敏度为13.80 pm/℃,线性拟合优度为0.9982。4、研究基于飞秒激光加工的FBG-FP结构的掺铒光纤激光器温度传感特性。利用飞秒激光逐线刻写技术制备光纤FBG-FP滤波结构,其反射光谱的FBG中心波长处具有干涉特性,将其作为掺铒光纤激光器的滤波结构实现稳定的窄线宽激光输出。激光温度传感系统随着温度升高,激光波长红移,温度灵敏度逐渐增大,波长与温度的二次拟合优度大于0.999。

关键词：高温传感光纤微结构干涉型传感器掺铒光纤激光器

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干涉型光纤传感解调算法及技术

干涉型光纤传感解调算法及技术

作者：左国猛华中科技大学

学位级别：硕士

干涉型光纤传感器,相比较其他类型传感器,它具有制作相对简单,性能可靠,测量精度高,成本低廉,更容易内联级联集成和小型化,实现多参量一体化测量。因而它受到许多研究工作者的青睐,在医学诊断、电力水利、航天航空、健康监测等领域都有... 详细信息

干涉型光纤传感器,相比较其他类型传感器,它具有制作相对简单,性能可靠,测量精度高,成本低廉,更容易内联级联集成和小型化,实现多参量一体化测量。因而它受到许多研究工作者的青睐,在医学诊断、电力水利、航天航空、健康监测等领域都有着广泛的应用前景。随着市场对光纤传感器的需求日益剧增,迫切需要运用新的传感技术和解调方法来提高传感器的灵敏度、精度、测量范围和复用能力。针对这些需求,本文主要研究了游标效应光谱包络级次识别和并联型Sagnac干涉仪的多个绝对光程差的解调算法,以及基于增强型反谐振效应温度传感器传感技术。主要研究成果及内容如下:(1)针对游标效应的有效测量范围通常不超过一个自由光谱范围的问题,本文提出利用最小二乘算法和互相关算法来标定游标光谱的包络级次,进而确定光谱波长漂移的位置。由于希尔伯特变换提取的平方包络为余弦型,它的最小二乘法(互相关)曲线中相邻极小值(极大值)之间的间隔等于调和中心波长,因此调和中心波长的级次变化表征了峰值波长的漂移。通过Sagnac干涉系统产生的游标效应验证了所提方法。实验结果表明,在相同温度灵敏度的条件下,有效测量范围扩大了4.6倍。因此该方法对于扩大基于游标效应温度传感器的有效测量范围具有重要意义。(2)对于窄光谱范围的多干涉系统,传统算法解调的绝对光程差误差较大。针对这一问题,本文提出了一种迭代归一化互相关算法来精确解调多干涉系统的多个绝对光程差。通过构造组合形式的模板函数,分别基于重构矩阵法和互相关算法迭代求解模板函数各分量的最优解和绝对光程差的最优解。仿真和实验结果表明,在45～80 nm的不同光谱区间内,560μm和660μm的光程差解调精度均达到5 nm。当光程差在650～670μm范围内变化时,在55 nm光谱范围内所有解调绝对光程差精度均不超过4 nm。同时按照t分布95%置信度计算,实验测得的温度精度(0.125°C)与控制精度(0.1°C)非常接近。该算法可以提高光纤传感系统的复用能力,降低成本。(3)本文提出并验证了一种增强型反谐振效应的温度传感器。由于反谐振效应在谐振波长处同时满足马赫-曾德尔相消干涉条件,因而这一效应得以增强。对多模光纤长度对模式能量分布和传输谱的影响进行了分析。实验结果表明,对于满足增强型反谐振效应的谐振波长,它的强度对温度和应变都非常敏感,最大强度灵敏度分别为0.181 d B/℃和16.1 d B/mε。与以前的工作相比,灵敏度提高了几倍甚至几十倍。基于反谐振增强效应的传感器具有很高的强度灵敏度,在传感应用中具有很大的潜在价值。

关键词：干涉型传感器高灵敏度大测量范围并联复用温度传感器

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非通信应用的光纤国际市场预测

光纤与电缆及其应用技术 1988年第1期 53-58页

作者：洪伟年

前言供通信应用的光纤系统在10年前就开始走出实验室而进入实际应用。1975年,全世界光纤通信元件的产值约为250万美元。在过去十年间,光纤通信元件的使用量增加了800多倍,1985年全世界光纤元件的价值约达20亿美元。相比之下,光纤传感器... 详细信息

前言供通信应用的光纤系统在10年前就开始走出实验室而进入实际应用。1975年,全世界光纤通信元件的产值约为250万美元。在过去十年间,光纤通信元件的使用量增加了800多倍,1985年全世界光纤元件的价值约达20亿美元。相比之下,光纤传感器还刚刚起步。虽然在过去十年内,光纤传感技术一直在发展,并在实验室样机方面已取得显著进展,但在1985年,全世界供实用的传感器产值只有880万美元。光纤传感器的稳定增长将归于下列因素的推动。·光纤元件性能的不断提高,由于它们

关键词：光纤美元干涉型传感器传感器子系统幅型光导纤维本位币光纤陀螺仪光纤传感器通信应用