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基于荧光机理的光纤温度测量仪研究

作　者: 刘俊田
导　师: 王玉田
学　校: 燕山大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 荧光测温希尔伯特变换锁相环技术截断归一法单片机
分类号: TP216
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 173次
引　用: 1次
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内容摘要

由于光纤传输与传感技术具有许多实用性优点,基于光纤传输的荧光测温技术也得到了迅速发展,使荧光光纤温度传感器成为现代光纤传感技术领域研究的热点之一。许多测温场合条件特殊,对温度的测量可能造成一些实际的困难,在寻求温度传感器的其他替代手段的所有研究活动中,荧光光纤温度传感器以其抗电磁干扰、体积小、传输损耗低、耐腐蚀等优点正日益受到重视。本文在前人研究成果基础上,研究了一种基于希尔伯特变换的光纤温度传感器,以实现特殊环境下温度的实时测量。本文对荧光光纤测温仪进行了研究,利用光致发光原理,采用希尔伯特变换测量荧光寿命的方法,引入了锁相环技术进行消噪,提高了系统的测量精度。论文首先从理论上对荧光光纤温度传感器的测温原理进行了较详细的阐述,对系统所选用光源及荧光材料的温度特性进行了系统的研究。通过比较论证为系统选出了最佳的光源及荧光材料。针对目前荧光光纤温度传感器在实用化过程中遇到的重复性差的问题,分析了造成测温系统重复性差的关键因素,提出了用截断归一法来评价余辉曲线的非指数性,并给出了改善非指数性的措施。文中描述了系统光路和电路的组成,围绕提高测温系统的重复性和测温精度这一目的分析了光路中各器件的性能,设计了高速、低噪声的微弱信号检测电路,针对电路干扰提出了相应的解决办法。最后设计了单片机的软硬件结构,用来测量显示荧光寿命。论文通过实验证明将希尔伯特变换技术应用于荧光测温的信号处理是可行的,实现了荧光寿命的实时测量,对于工业、生物医学等领域具有一定的应用价值。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 引言  9-11
  1.2 荧光光纤温度传感器的研究现状  11-13
  1.3 课题研究的目的和意义  13-14
  1.4 课题的主要研究内容  14-15
第2章荧光测温机理及特性分析  15-29
  2.1 荧光的产生机理  15-19
    2.1.1 发光现象  15-16
    2.1.2 光致发光现象  16-19
  2.2 固态激光材料红宝石的敏感机理  19-22
    2.2.1 Cr~(3+) 离子的光谱  19-20
    2.2.2 红宝石晶体的能级结构与荧光发射  20-22
  2.3 红宝石的荧光寿命和温度特性  22-27
  2.4 本章小结  27-29
第3章荧光寿命的检测方法  29-39
  3.1 基于希尔伯特变换的荧光寿命检测  29-32
    3.1.1 希尔伯特变换  29-30
    3.1.2 不带激励光泄漏噪声的希尔伯特相敏检测  30-31
    3.1.3 带激励光泄漏噪声的希尔伯特相敏检测  31-32
  3.2 锁相放大器的微弱光电信号检测技术  32-38
    3.2.1 SR 锁相放大器的原理及主要特性  32-35
    3.2.2 锁相放大器的微弱信号检测  35-38
  3.3 本章小结  38-39
第4章荧光光纤温度传感系统的设计  39-65
  4.1 系统总体结构设计  39
  4.2 光纤探头的设计  39-40
  4.3 光源及其驱动电路的设计  40-45
    4.3.1 光源的选择  40-44
    4.3.2 光源驱动电路的设计  44-45
  4.4 光纤  45-48
    4.4.1 光纤传输的基本原理  45-46
    4.4.2 光纤的传输特性  46-47
    4.4.3 本系统所选用的光纤  47-48
  4.5 光纤耦合器  48-51
    4.5.1 光纤耦合器原理  49-50
    4.5.2 光纤耦合器的性能  50-51
  4.6 光路耦合  51-52
    4.6.1 激励光源与石英光纤的耦合  51
    4.6.2 石英光纤与光电探测器的耦合  51
    4.6.3 光学镜片组  51-52
  4.7 光探测器件  52-56
    4.7.1 PN 和PIN 光探测器的工作原理  53-54
    4.7.2 光探测器的特性参数  54-56
  4.8 锁相放大器  56
  4.9 荧光寿命检测电路  56
  4.10 单片机系统设计  56-64
    4.10.1 单片机MCU 部分  58-63
    4.10.2 数字信号处理器 DSP 部分  63-64
  4.11 本章小结  64-65
第5章实验与系统分析  65-71
  5.1 荧光测温仪实验系统组成  65
  5.2 用FL920 测量红宝石的荧光寿命  65-66
  5.3 用测温传感器测量红宝石荧光寿命  66-69
  5.4 稳定性分析  69
  5.5 本章小结  69-71
结论  71-73
参考文献  73-77
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  77-78
致谢  78-79
作者简介  79

基于荧光机理的光纤温度测量仪研究

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