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低反射率FBG传感系统及其与光纤干涉仪的复用

作　者: 刘川
导　师: 饶云江
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤传感器低反射率光纤布拉格光栅光纤干涉仪白光干涉
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 82次
引　用: 2次
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内容摘要

在科技高速发展的信息时代,光电技术、信息技术在各个行业和领域的作用越来越重要。其中,光电技术中的光纤通信和光纤传感越来越受到人们的密切关注,本课题主要研究光纤传感系统。相比电子传感器,光纤传感器[1,2]具有抗电磁干扰非常强、绝缘性也非常好、易为各种光探测器接收等优点,应用极为广泛,包括大型结构、电力、航空、安防、地质、交通、石化、军事等领域。根据不同的需要,它也由单点检测发展成为多点和分布式检测[3]。本文主要研究低反射率光纤布拉格光栅(FBG)传感系统,在此基础上讨论了低反射率FBG传感系统与光纤干涉仪的复用。首先,本文分析了各种常见的光纤传感系统的技术路线,包括准分布式光纤传感系统、基于干涉仪的分布式光纤传感系统[3,4,5,6]以及基于OTDR的分布式光纤传感系统。在准分布式光纤传感系统中主要讨论了FBG传感系统的应用、国内外研究现状。然后又分析讨论了最基本的三种光纤干涉仪的原理和结构,包括Mach-Zehnder干涉仪、光纤Michelson干涉仪以及光纤Sagnac干涉仪。最后简单介绍了基于光时域反射(OTDR)的分布式光纤传感系统的分类和原理。然后,本文分析了FBG传感器及其传感系统的工作原理,包括FBG的应变特性和温度特性,并介绍了FBG的各种解调技术和复用技术。在此基础上深入分析了影响FBG传感系统容量的因素,并对系统容量进行了仿真。根据仿真结果,搭建了基于时分复用和窄波长扫描激光的低反射率FBG光纤传感系统。该方案大大提高了FBG传感系统的容量和距离,实现了多传感点的参量测量。最后,研究了低反射率FBG传感系统与光纤干涉仪的复用。首先讨论了基于波长扫描的白光干涉技术的原理,并采用LabView[7]对傅里叶解调方法[8,9]进行仿真。作为对比,本文还重点讨论了基于3×3耦合器解调技术及其原理[10-17],并采用MatLab对解调方法进行仿真。之后,又搭建了基于宽波长扫描激光的FBG传感系统与光纤干涉仪复用的传感系统。在此系统中,我们采用白光干涉技术对干涉信号进行解调,采用波峰检测方法对FBG传感信号进行解调。FBG传感系统与干涉传感系统两者的融合,大大地弥补FBG传感系统的不足,可以在工程中实现多点的检测,提高系统的灵敏度。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-20
  1.1 引言  10
  1.2 光纤传感系统的技术路线分析  10-18
    1.2.1 基于FBG 的准分布式光纤传感系统  11-14
    1.2.2 基于干涉仪的分布式光纤传感系统  14-18
    1.2.3 基于OTDR 的分布式光纤传感系统  18
  1.3 本课题的意义及其主要研究内容  18-20
第二章 FBG 传感原理和解调技术  20-29
  2.1 FBG 传感器的原理  20-22
    2.1.1 FBG 的应变特性  21
    2.1.2 FBG 的温度特性  21-22
  2.2 FBG 传感系统的解调方案  22-27
    2.2.1 光谱分析解调法  22
    2.2.2 滤波解调法  22-25
    2.2.3 干涉解调法  25-26
    2.2.4 波长扫描解调法  26-27
  2.3 FBG 传感系统的复用方法  27-28
    2.3.1 波分复用  27
    2.3.2 时分复用  27-28
    2.3.3 空分复用  28
  2.4 本章小结  28-29
第三章基于时分复用和窄波长扫描激光的低反射率FBG 光纤传感系统  29-45
  3.1 实验系统和原理  29-31
  3.2 系统容量的仿真与分析  31-34
    3.2.1 影响系统容量的因素分析  31-32
    3.2.2 仿真结果分析  32-34
  3.3 实验系统所用的主要器件  34-40
    3.3.1 可调半导体激光器  34
    3.3.2 电光调制器  34-35
    3.3.3 信号发生器  35
    3.3.4 拉曼放大器  35-39
    3.3.5 光电探测器  39-40
  3.4 系统实验  40-44
    3.4.1 低反射率FBG 传感系统的实验结果  40-43
    3.4.2 低反射率FBG 传感系统的传感实验  43-44
  3.5 本章小结  44-45
第四章宽波长扫描激光FBG 传感系统与光纤干涉仪的复用  45-73
  4.1 引言  45
  4.2 实验系统的结构和原理  45-46
  4.3 光纤Michelson 干涉仪的传感原理  46-49
    4.3.1 光波相位调制原理  46-48
    4.3.2 光纤Michelson 干涉仪的原理  48-49
  4.4 光纤Michelson 干涉仪的信号解调技术  49-65
    4.4.1 基于波长扫描的白光干涉技术的原理及其仿真  50-52
    4.4.2 基于3×3 耦合器解调技术的原理及其仿真实验  52-60
    4.4.3 其他解调技术  60-65
    4.4.4 各种解调方案的比较  65
  4.5 系统实验  65-72
    4.5.1 系统实验及主要器件  65-66
    4.5.2 实验结果  66-72
  4.6 本章小结  72-73
第五章结论与展望  73-75
致谢  75-76
参考文献  76-80
攻硕期间取得的研究成果  80-81

低反射率FBG传感系统及其与光纤干涉仪的复用

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