基于半導(dǎo)體激光器自混合干涉的光纖傳感模型研究.pdf

1、半導(dǎo)體激光器自混合干涉技術(shù)和光纖傳感技術(shù)是現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù),他們有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。自混合干涉技術(shù)具有光路易準(zhǔn)直、結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)量范圍大、精度高和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),但信號(hào)弱,不易測(cè)量、實(shí)驗(yàn)條件要求高、抗干擾能力差。光纖傳感技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、可繞曲、使用范圍廣、非侵入性和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn),但是精度不高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號(hào)后續(xù)處理復(fù)雜等。本文的新型光纖傳感器就是將半導(dǎo)體激光器自混合干涉技術(shù)應(yīng)用到光纖傳感技術(shù)中,探索出一種新型的傳感方

2、法。
　　 光纖傳感器分為光纖部分和耦合部分,光纖部分采用幾何光學(xué)的方法分析光路,耦合部分采用光傳輸散射矩陣方法分析傳輸信號(hào)的相位信息。對(duì)傳感信號(hào)的探測(cè),傳統(tǒng)的探測(cè)方法是將傳輸信號(hào)的相位信息經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換、電腦分析等過程得到測(cè)量信息,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且速度慢。本文引入自混合干涉技術(shù),傳輸信號(hào)的相位信息經(jīng)過濾波后采用電子信號(hào)檢測(cè)的方法分析,或者將波形圖像采集到電腦軟件分析。探測(cè)過程簡單、快速是這種新方法的顯著優(yōu)點(diǎn)。
　　

3、 自混合干涉效應(yīng)的分析方法主要有兩種,一種是嚴(yán)格求解Lang和Kobayashi建立的速率方程,得到輸出光的頻率和光強(qiáng)表達(dá)式。另一種是引入法-珀腔模型分析,利用激光諧振腔穩(wěn)定條件計(jì)算有光反饋時(shí)的理論公式。本設(shè)計(jì)采用法-珀腔模型進(jìn)行理論研究,它能夠被直觀理解,而且計(jì)算簡單。本文利用這個(gè)模型已經(jīng)推導(dǎo)出自混合干涉信號(hào)的輸出相位、輸出功率公式。
　　 由于光纖傳輸?shù)南辔恍畔⑹枪庠谕馇坏耐禃r(shí)間的表現(xiàn),而光往返時(shí)間與自混合干涉信號(hào)輸出功

4、率的拍波頻率有確定的關(guān)系函數(shù),所以光纖傳輸?shù)南辔恍畔⑴c輸出功率的拍波頻率建立了關(guān)系式。而外部環(huán)境的變化(即待測(cè)物理量的變化)是導(dǎo)致光纖傳輸相位信息變化的直接因素,這樣就間接建立了待測(cè)量物理量與自混合信號(hào)輸出功率拍波頻率的關(guān)系。通過測(cè)量輸出功率拍波頻率就可以測(cè)量待測(cè)物理量的信息,建立了將自混合干涉效應(yīng)引入光纖傳感的完整理論模型。
　　 用MATLAB軟件對(duì)上述理論進(jìn)行仿真分析可以驗(yàn)證理論的正確性,仿真內(nèi)容主要為設(shè)定幾種特定情況的溫

5、度和壓力變化過程,用MATLAB軟件編程計(jì)算這些過程中自混合干涉信號(hào)輸出功率拍波頻率的變化情況。仿真結(jié)果表明,這種方法可以預(yù)測(cè)溫度或壓力的變化方向和變化的速度。通過模擬仿真溫度、壓力與輸出功率的拍波頻率關(guān)系,計(jì)算出這種方法的適用范圍和測(cè)量精度,溫度測(cè)量范圍為-50℃到350℃之間,精度達(dá)到0.78℃/Hz,壓力測(cè)量范圍主要集中在104N量級(jí),測(cè)量精度達(dá)到47.8N/Hz。用MATLAB仿真分析溫度或壓力變化的頻譜圖,頻譜圖由多頻率的譜線

6、簇組成,中心頻率值與之前仿真值一致,能正確反映輸出功率拍波頻率。由仿真結(jié)果可以看到,本文新型傳感方法理論的正確性,若能將這種方法應(yīng)用到實(shí)際的傳感中更具有以下優(yōu)勢(shì):結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的光纖傳感器更簡單,輸出功率波形即反映測(cè)量值信息；測(cè)量精度更高,現(xiàn)在光纖溫度傳感器的測(cè)量精度都在10-1℃量級(jí),本論文計(jì)算測(cè)量精度為10-2℃量級(jí)；使用范圍更廣,光纖溫度傳感器普遍的測(cè)量范圍為0℃～100℃,本論文計(jì)算測(cè)量范圍為-50℃～350℃,大大提高了溫度的測(cè)量