基于错位和无芯的高灵敏度及偏振调制光纤传感研究

摘要

光纤传感技术是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传感外界被测量信号的新型传感技术。作为被测信号载体的光波和作为传播媒质的光纤，具有抗电磁干扰能力强、易为各种光电探测器件接收、方便光电转换以及适用于远程监测等优点。光纤传感技术的发展趋势是高灵敏度、高精度、多参数、同步在线、功能集成以及网络化等。本论文系统研究了包括干涉传感、激光传感、腔衰荡传感和偏振传感四种新型结构的光纤传感器的工作原理。并在分析上述传感器的理论基础上，对它们应用于温度、浓度和旋光角的测量进行了详细的实验探究，主要研究内容及创新成果包括以下几个方面。
　　(1)在依据光纤中模式传播特性基本原理的基础上，对错位光纤、无芯光纤和法拉第旋镜组成的混合马泽-迈克尔逊结构的模式干涉和错位光纤传感结构不同位置处的电场分布进行理论建模分析，并进一步对干涉信号模式传播的数据进行拟合，深入比较和分析了使用法拉第旋镜消除光纤中的偏振态变化、补偿极化引起的信号衰减和消除外部扰动的原因和结果，为光纤混合干涉型传感技术应用于温度和浓度测量研究奠定了基础。
　　(2)对混合马泽-迈克尔逊结构的模式干涉技术应用于温度和浓度测量进行了系统结构合理设置的实验研究。
　　1）灵敏度增强型基于错位光纤的混合马泽-迈克尔逊干涉的温度传感系统。通过使用法拉第旋镜使光纤传感器具有较宽的应用测量范围，同时该系统可以有效地消除偏振状态随机变化带来的影响，提高了系统的灵敏度和稳定性。
　　2）基于无芯光纤的多模干涉效应理论，实现了一个单模-无芯-单模-错位结构的温度自补偿的温度和浓度测量传感系统。所制备的单模-无芯-单模-错位传感部分最后通过检测反射的包层模波长漂移实现了对温度和液体浓度的测量，该系统的稳定性得到进一步提高。同时创新性的实验验证了无芯光纤对三种重金属溶液浓度的线性传感规律，为在一定范围内为检测重金属溶液浓度提供了一种有效的手段。
　　对比分析了基于错位光纤的激光测温方法与FRM干涉测温方法，二者主要不同点在于错位光纤在激光测温系统中相当于滤波器，激光输出位置只选择在错位光纤干涉光谱的波峰处，因此，激光的中心波长将随着温度的变化而发生平移。实验对比结果表明，错位光纤的FRM干涉测温法灵敏度和稳定性均优于激光测温法。
　　实现了对错位光纤温度传感系统和无芯错位光纤浓度传感系统测量数据的光谱分析和算法优化处理。分别利用改进BP神经网络和改进ELMAN神经网络实现了测量系统的数据分析和预测。给出了改进神经网络结构，详细分析了网络训练过程和参数的选取，最后分别对比说明了温度和浓度数据的预测值分析及误差分析，同时验证了该算法在光纤温度和浓度传感上的可行性，这也为错位光纤在压力、曲率等其他物理量传感上的精确测量提供了新思路。
　　(3)提出了基于错位光纤的腔衰荡光谱技术的温度传感系统。根据朗伯-比尔定律理论分析了环腔损耗及衰荡时间与错位传感部分随温度变化的关系，错位量的变化和由温度引起的错位长度的变化最终可以通过测量衰荡时间检测出来，该系统改进了光谱解调方式并简化了信号的采集处理过程。实验结果表明，当选择不同错位量时，通过曲线拟合获得了衰荡时间τ和错位量D之间的关系，错位量对衰荡输出波形有较大的影响。若输入光功率足够大，错位光纤的引入使腔内总损耗增加从而导致衰荡时间明显减少。
　　(4)针对现有干涉型浓度传感系统存在的测量精度不高和解调困难等问题，提出了一种新型两级调制的磁致旋光角和浓度的偏振测量传感系统。这种技术将传统的直流调制磁光检测技术与交流调制磁光检测技术相结合，去除了纯交流调制产生的磁旋光角变化引起的误差。设计实现了脉冲宽度调制控制的交直流调制信号源。实验验证了掺铽(Tb3+)光纤可以用于交直流调制旋光溶液浓度测量系统，该系统采用包括对准装置在内的全光纤链路，使传感设备更便携和紧凑。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 高灵敏度光纤传感研究现状及发展

1．2．1 基于错位结构的干涉型光纤传感器

1．2．2 基于无芯光纤的干涉型光纤传感器

1．2．3 基于衰荡腔光谱技术的光纤传感器

1．2．4 基于磁光效应的偏振型光纤传感器

1．3 本论文主要研究内容及结构安排

第二章 基于错位光纤的高灵敏度温度传感研究

2．1 引言

2．2 混合马泽-迈克尔逊干涉的错位光纤传感器原理

2．3 温度传感实验结果与讨论

2．3．1 错位光纤结构的输出光谱分析

2．3．2 FRM干涉测温结构的分析

2．4 双耦合激光结构基于错位光纤的温度传感对比分析

2．5 光纤环腔衰荡结构基于错位光纤的温度传感对比分析

2．5．1 光纤环腔衰荡传感发展现状

2．5．2 基于错位光纤的光纤环腔衰荡传感原理

2．5．3 错位光纤环腔衰荡温度测量实验过程

2．5．4 错位光纤环腔衰荡温度测量结果讨论

2．6 本章小结

第三章 高灵敏度基于无芯错位光纤的温度和浓度传感研究

3．1 引言

3．2 混合马泽-迈克尔逊干涉的无芯错位光纤传感器原理

3．2．1 传感器的制作和测量原理

3．2．2 SNS结构仿真分析

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 实验装置

3．3．2 温度测量

3．3．3 溶液浓度测量

3．4 本章小结

第四章 基于法拉第效应的溶液浓度和磁旋光角传感研究

4．1 引言

4．2 磁致旋光角及溶液浓度测量系统设计

4．2．1 测量装置建立

4．2．2 磁旋光调制角测量原理

4．2．3 实验过程

4．2．4 AC-DC信号发生器的PWM控制设计

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 直流调制下磁旋光掺铽光纤特性分析

4．3．2 交流调制下测量输出分析

4．3．3 交直流调制信号源的PWM控制的测试分析

4．3．4 交流调制下A，θ2和δA的仿真分析与算法比较

4．4 系统实验测试

4．5 本章小结

第五章 光谱数据神经网络算法优化

5．1 光纤温度传感系统中的BP神经网络谱分析

5．1．1 改进BP神经网络最佳结构设计

5．1．2 实验结果与讨论

5．1．3 在测温系统中的实际应用

5．2 光纤浓度传感系统中的ELMAN神经网络谱分析

5．2．1 改进ELMAM神经网络的最佳结构设计

5．2．2 实验结果与讨论

5．2．3 在浓度测量系统中的实际应用

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结和创新点

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的研究成果

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