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基于环形衰荡腔的全光纤电流传感器研究

基于环形衰荡腔的全光纤电流传感器研究

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作者：刘闯闯安徽工程大学

学位级别：硕士

随着电力系统容量的急剧增加,传统电磁式电流传感器已经逐渐不能满足当代的测量需求。全光纤电流传感器(all-fiber optic current sensor,AFOCS)凭借绝缘性好、测量精度高以及抗电磁干扰等显著优势在超高压和特高压环境中展现出巨大的... 详细信息

随着电力系统容量的急剧增加,传统电磁式电流传感器已经逐渐不能满足当代的测量需求。全光纤电流传感器(all-fiber optic current sensor,AFOCS)凭借绝缘性好、测量精度高以及抗电磁干扰等显著优势在超高压和特高压环境中展现出巨大的发展潜力,但同时也存在一些亟待解决的技术难题,如光纤材料对电流的敏感度低、易受外部环境噪声的干扰等。本文针对全光纤电流传感器当前存在的技术瓶颈,以环形结构全光纤电流传感器为研究对象,并在其结构基础上提出了一些改进措施来进一步提高系统的性能,主要在以下几个方面开展工作研究。首先,对环形衰荡腔和环形结构全光纤电流传感器的基本原理和常见结构进行简单介绍。由于全光纤电流传感器对外部环境变化(尤其是温度波动)的敏感性较高,导致系统的测量精度和灵敏度有所下降,为此本文着重分析了温度噪声对全光纤电流传感器性能的影响,并利用归一化偏振度来衡量温度波动所带来的测量误差。此外,针对具有反射结构的全光纤电流传感器,还讨论了采用不同反射镜对系统测量精确度和稳定性的影响。结果表明温度波动与费尔德常数和温致线性双折射均呈现线性关系,而采用正交共轭反射镜比普通反射镜能够更好地抑制温度噪声的影响。其次,考虑到传感光纤周围磁场分布不均会降低全光纤电流传感器的测量精度,提出一种平行共轴式线圈绕制方式来在一定的空间范围内产生均匀分布的磁场环境。通过理论分析了平行共轴式结构的磁场分布情况,并采用麦克劳林展开法对线圈的结构参数进行讨论和研究,同时定义了相对偏差和有效覆盖率来筛选出最优的参数以及最佳的磁场分布。利用有限元软件对常见的磁环式绕制和本文所设计的平行共轴式绕制进行了磁场仿真分析,仿真结果表明平行共轴式结构在磁场的均匀性和范围上具有显著的优势。最后,鉴于光信号在传输过程中会受到光纤和光学器件的吸收,导致光信号在环形腔中的循环次数十分有限,因此提出在环形衰荡腔中加入掺铒光纤放大器对损耗的光信号进行补偿,从而让环形结构全光纤电流传感器的测量精度和灵敏度得到进一步提升。在分析泵浦功率和掺铒光纤长度对放大器增益影响的基础上,选择合理的掺铒光纤放大器参数来实现对光信号的有效放大,并将其与全光纤电流传感器相结合形成一种新的电流传感方案,同时搭建实验光路来验证方案的可行性。实验结果表明,加入掺铒光纤放大器后能够有效增加光信号的循环次数。然而实验室采用的光源脉冲宽度为20μs,而传感光纤长度仅有1km,导致输出光信号出现了相互叠加的现象,这对测量的准确性产生了一定影响。

关键词：全光纤电流传感器环形衰荡腔温度特性磁场均匀性光损补偿

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基于Labview的错位光纤温度传感器设计研究

基于Labview的错位光纤温度传感器设计研究

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作者：朱晗河南师范大学

学位级别：硕士

相比于传统传感技术,光纤传感器因其质量轻、空间体积小、抗电磁干扰能力优异、具有较长的寿命、易于遥感等优点而备受人们青睐。随着光纤传感技术的不断发展,现已广泛应用于石油、电力、医疗、航天等领域,至今光纤传感器可测的物理量... 详细信息

相比于传统传感技术,光纤传感器因其质量轻、空间体积小、抗电磁干扰能力优异、具有较长的寿命、易于遥感等优点而备受人们青睐。随着光纤传感技术的不断发展,现已广泛应用于石油、电力、医疗、航天等领域,至今光纤传感器可测的物理量已多达70多种。现阶段学者们的研究主要集中在光纤传感器系统的多参数测量设计、传感器灵敏度和稳定性的提高、新型的传感器结构研究等方向。在本文里主要提出了两种基于单模(SMF)错位光纤的温度传感系统,围绕如何提高该测温系统的测量精准度和灵敏度等性能问题,深入研究了错位光纤传感器测温系统。本论文的创新点归纳为以下几点:1)将FRM加入光谱测温系统之中。与普通的传感器相比,该干涉测量系统灵敏度明显提升了一个数量级。普通光纤温度传感器所具有的输出不稳定与低灵敏度的缺点,可以通过基于SMF错位光纤与FRM的温度传感器得到解决。2)在改进的衰荡腔测温系统之中,利用环形衰荡腔技术将温度测量的光学信号解调转换为电学信号解调,避免了使用光谱仪测温,取而代之的是使用光电探测器以及示波器的组合来测温,很明显这将有效的降低系统的成本以及体积。3)运用基于Labview的虚拟仪器技术提高了数据处理的效率,并设计了三种程序算法对数据进行处理分析。首先,本文简述了光纤温度传感器的技术背景和近代发展,对光的模间干涉技术做了详细介绍。基于这一干涉理论提出了一种马赫增德尔干涉型单模错位光纤温度传感器,从理论上详细分析了其错位结构和传感原理。该传感器的主要特点是,使用错位熔接技术将一小段SMF错位熔接于两段SMF之间,纤芯中一部分光耦合到光纤包层中,由于温度对光纤包层和纤芯的折射率影响大小不同,导致输出光谱的波长会跟随着传感器的环境温度改变而发生漂移,因此,可以解调光的干涉输出来计算出当前温度。接着着重阐述了单模错位光纤的制备过程,采用对比的方式确定实验中所使用的单模错位光纤的参数,为系统设计提供了理论参数和实验依据。然后,在错位光纤的基础上,提出了一种带法拉第旋镜结构的高灵敏度光纤温度传感系统。该旋镜的主要作用是提高温度传感器的灵敏度以及保证输出光的偏振态稳定性。根据干涉原理,本文理论分析了该温度传感器的光谱波长随温度变化的规律。实验测量结果表明,在1539.42 1539.42nm-1553.90nm的波长范围内,温度从47℃-63℃变化,该传感器的灵敏度和功率变化分别为0.89039nm/℃和2.257dB/℃。最后,针对光纤干涉测量方法解调复杂和对光源稳定性要求高等问题,提出了一种基于错位光纤的衰荡腔测温系统。当环形衰荡腔腔内光的衰减系数一定时,衰荡输出会呈指数衰减。利用这一特性,可将错位光纤结构置于环形腔内,通过改变环境温度调节腔内衰减系数,从而分析衰荡波形并计算出当前温度。另外实验数据处理部分引入了Labview仿真软件技术,文章对该技术的背景和优点进行了介绍。实验过程主要运用Labview的虚拟仪器技术设计了三种程序算法对数据进行处理分析。实验结果验证了衰荡时间与温度间的线性关系并分析比较了三种算法的优劣性,实现了预期目标。

关键词：光纤温度传感器单模错位光纤法拉第旋镜环形衰荡腔 Labview

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