采用光纤Sagnac干涉仪的超声波检测研究

摘要

基于超声波的损伤检测是工业无损检测中应用范围最广的一种方法，但检测中常用的压电探头不能在强电磁干扰、腐蚀、高温等恶劣条件下使用。与之相比，干涉式光纤传感器具有重量轻、体积小、抗电磁干扰等优点，为检测材料中的超声波信号提供了一个更好的测量方法。本文设计了一种基于高双折射光纤Sagnac干涉仪的超声波传感器，制作了可移动式的光纤环作为超声探头，采用了双波长补偿法克服了初始偏置相位漂移对输出信号幅度带来的影响。
　　本文研究的工作主要体现在以下三个方面:
　　(1)根据Jones矩阵理论对单段高双折射光纤Sagnac干涉仪的反射和透射光谱特性进行了理论研究，讨论了耦合器、高双折射光纤快慢轴与直角坐标系的夹角、高双折射光纤的长度及折射率差对干涉仪光谱特性的影响;推导了在超声波作用下高双折射光纤Sagnac干涉仪探头的相位差变化，分析并仿真了两段双折射光纤参数对反射透射光谱的影响;最后对高双折射光纤Sagnac干涉仪的信号特性进行了分析。
　　(2)介绍了双波长光源及特定的补偿算法的基本原理，然后对双波长光源的系统输出进行理论仿真，分析这种双波长光源及特定的补偿算法可以用来消除高双折射光纤Sagnac干涉仪在检测信号时带来的输出信号不稳定现象，最后实验验证了在不同温度条件下，采用双波长补偿法可以克服输出信号幅度的衰落。
　　(3)对基于高双折射光纤Sagnac干涉仪的超声波检测系统和光纤光栅进行了对比实验，实验结果显示，在不同频率、相同幅值的正弦波和调制波激励条件下，基于高双折射光纤Sagnac干涉仪的超声波检测系统探测到的信号比光纤光栅探测到的信号更加稳定，高双折射光纤Sagnac干涉仪可探测到超声波频率范围为20 kHz-1000 kHz。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 光纤传感技术简介

1．2 光纤传感器的工作原理

1．2．1 光纤传感器的分类

1．2．2 干涉型光纤传感器的工作原理

1．3 国内外研究概况

1．4 本文的主要工作及创新点

第2章 高双折射光纤Sagnac干涉仪的传输特性

2．1 双折射的基本原理

2．1．1 单模光纤双折射理论模型和表示方法

2．1．2 光纤中产生双折射的原因

2．2 高双折射光纤Sagnac干涉仪的传输特性理论分析

2．2．1 高双折射光纤Sagnae干涉仪基本元件的Jones矩阵

2．2．2 高双折射光纤Sagnac千涉仪特性的Jones矩阵分析

2．3 高双折射光纤Sagnac干涉仪的仿真结果

2．3．1 耦合器参数对反射透射光谱的影响

2．3．2 高双折射光纤快慢轴与直角坐标系的夹角对反射透射光谱的影响

2．3．3 高双折射光纤的折射率和长度对反射透射光谱的影响

2．4 本章小结

第3章 超声波对高双折射光纤Sagnac干涉仪的影响

3．1 声波与超声波概述

3．1．1 超声波的传播及特征

3．1．2 Lamb渡的传播及特征

3．2 超声波作用于光纤的基本理论

3．3 超声波作用于高双折射光纤Sagnac干涉仪的相位变化特性分析

3．3．1 超声波作用于光纤环探头的相位差理论推导

3．3．2 超声波作用下高双折射光纤Sagnac干涉仪相位变化的理论推导

3．3．3 双折射光纤参数对反射透射光谱的影响仿真结果

3．4 高双折射光纤Sagnac干涉仪信号稳定性分析

3．5 本章小结

第4章 采用双波长补偿法的高双折射光纤Sagnae干涉仪信号解调技术

4．1 干涉仪的偏置相位漂移现象

4．2 双波长补偿干涉仪偏置相位漂移原理

4．3 模拟双波长补偿算法

4．4 本章小结

第5章 基于光纤Sagnac干涉仪的超声波检测系统的实验分析

5．1 采用双波长法补偿高双折射光纤Sagnac干涉仪偏置相位变化的实验

5．1．1 实验系统的组成

5．1．2 实验结果及分析

5．2 高双折射光纤Sagnae干涉仪与光纤光栅在超声波检测系统中的对比

5．2．1 实验系统的组成

5．2．2 实验结果及分析

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 现状与展望

参考文献

致谢