基于錯(cuò)位和無(wú)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(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。作為被測(cè)信號(hào)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(qiáng)、易為各種光電探測(cè)器件接收、方便光電轉(zhuǎn)換以及適用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(duì)它們應(yīng)用于溫度、濃

2、度和旋光角的測(cè)量進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)探究，主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新成果包括以下幾個(gè)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(duì)錯(cuò)位光纖、無(wú)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(cuò)位光纖傳感結(jié)構(gòu)不同位置處的電場(chǎng)分布進(jìn)行理論建模分析，并進(jìn)一步對(duì)干涉信號(hào)模式傳播的數(shù)據(jù)進(jìn)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(bǔ)償極化引起的信號(hào)衰減和消除外部擾動(dòng)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(cè)量研究奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)對(duì)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(cè)量進(jìn)行了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理設(shè)置的實(shí)驗(yàn)研究。
　　1）靈敏度增強(qiáng)型基于錯(cuò)位光纖的混合馬澤-邁克爾遜干涉的溫度傳感系統(tǒng)。通過(guò)使用法拉第旋鏡使光纖傳感器具有較寬的應(yīng)用測(cè)量范圍，同時(shí)該系統(tǒng)可以有效地消除偏振狀態(tài)隨機(jī)變化帶來(lái)的影響，提高了系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性。
　　2）基于無(wú)芯光纖的多模干涉效應(yīng)理論，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單模-無(wú)芯-單模-錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的

4、溫度自補(bǔ)償?shù)臏囟群蜐舛葴y(cè)量傳感系統(tǒng)。所制備的單模-無(wú)芯-單模-錯(cuò)位傳感部分最后通過(guò)檢測(cè)反射的包層模波長(zhǎng)漂移實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度和液體濃度的測(cè)量，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。同時(shí)創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了無(wú)芯光纖對(duì)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(cè)重金屬溶液濃度提供了一種有效的手段。
　　對(duì)比分析了基于錯(cuò)位光纖的激光測(cè)溫方法與FRM干涉測(cè)溫方法，二者主要不同點(diǎn)在于錯(cuò)位光纖在激光測(cè)溫系統(tǒng)中相當(dāng)于濾波器，激光輸出位置只選擇在錯(cuò)位光

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

6、同時(shí)驗(yàn)證了該算法在光纖溫度和濃度傳感上的可行性，這也為錯(cuò)位光纖在壓力、曲率等其他物理量傳感上的精確測(cè)量提供了新思路。
　　(3)提出了基于錯(cuò)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(shí)間與錯(cuò)位傳感部分隨溫度變化的關(guān)系，錯(cuò)位量的變化和由溫度引起的錯(cuò)位長(zhǎng)度的變化最終可以通過(guò)測(cè)量衰蕩時(shí)間檢測(cè)出來(lái)，該系統(tǒng)改進(jìn)了光譜解調(diào)方式并簡(jiǎn)化了信號(hào)的采集處理過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)選擇不同錯(cuò)位量時(shí)，通過(guò)曲線擬合獲得了

7、衰蕩時(shí)間τ和錯(cuò)位量D之間的關(guān)系，錯(cuò)位量對(duì)衰蕩輸出波形有較大的影響。若輸入光功率足夠大，錯(cuò)位光纖的引入使腔內(nèi)總損耗增加從而導(dǎo)致衰蕩時(shí)間明顯減少。
　　(4)針對(duì)現(xiàn)有干涉型濃度傳感系統(tǒng)存在的測(cè)量精度不高和解調(diào)困難等問(wèn)題，提出了一種新型兩級(jí)調(diào)制的磁致旋光角和濃度的偏振測(cè)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(cè)技術(shù)與交流調(diào)制磁光檢測(cè)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(jì)實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度調(diào)制控制的交直流調(diào)制信號(hào)源。