微波解调技术在干涉型光纤应力传感中的应用研究

摘要

近些年来，光纤传感技术凭借其体积小，质量轻，抗电磁干扰等一系列优点受到学术以及工业界的广泛关注。尤其是光纤光栅传感器，其优越的传感性能和复用能力使它在很多应用领域中发挥着重要的作用，因此开发高效的光纤光栅解调技术一直是学术界研究的热点。虽然目前已经出现了多种光栅解调技术，但是这些方案存在成本高，响应速度慢或者稳定性差等问题，严重限制了光纤光栅传感器在工程上的大范围应用。微波光子学是一门新兴的交叉学科，结合了光纤技术和成熟的微波技术的优点，在信号发生、传感技术、新型雷达技术等领域中已经得到了广泛的应用。
　　相比于传统的光纤传感方案，微波光子传感系统具有更好的抗扰动能力，而且结合高度成熟的微波电子技术，这种新型光纤传感系统可以达到很高的信号处理速度，同时具有较低的成本。在这一背景下，本文提出了新型的基于微波解调技术的光纤传感系统，并对该系统如何应用在光纤微参量传感上进行了深入的理论和实验研究，取得的主要研究成果如下：
　　（1）提出了一种基于微波域M-Z干涉仪结构的光纤光栅应力解调系统，利用微波解调技术和光纤M-Z干涉结构中的光纤色散，将光纤光栅的中心波长漂移转换成微波干涉结果的强度变化，从而通过监测输出信号强度变化解调出光栅的波长漂移。此微波干涉仪光栅解调系统具有非常好的灵敏度，实现了光栅上超过2000με的应力解调。
　　（2）设计并验证了上述基于微波干涉结构的光纤光栅振动传感系统，干涉仪将光栅上的振动信号调制到输出干涉信号上，可以直接监测光栅上振动信号的频率。该振动传感系统具有较大的测量范围，可以实现从80Hz到6kHz的振动信号的传感监测。
　　（3）构建了基于光电振荡原理的新型光纤传感系统，通过监测光电振荡器输出振荡信号的频率漂移来解调出施加在传输光纤上的参量变化。利用该新型传感系统实现了光纤上温度的传感，传感的灵敏度达到2.05kHz/℃，线性度为0.9914。此外，还从理论上分析了一种基于双光栅光电振荡器的应力解调系统作为光纤光栅应力传感器的可行性。
　　本文所提出的新型微波光子传感系统能够有效实现各种参量的传感监测，而且具有非常好的稳定性和灵活性，可以方便地通过改变微波频率来调节传感系统的灵敏度，因此能够满足多种应用场合的需求。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 光纤光栅应力传感技术研究概况

1.3 基于微波解调的光纤传感技术的研究介绍

1.4 本论文的主要研究内容

2 基于微波域M-Z干涉结构的光纤光栅应力传感实验研究

2.1 传感系统的特性和原理

2.2 传感系统中关键组件设计

2.3 光纤光栅应力传感实验

2.4 关于静态应力传感器的实验结果分析

2.5 本章小结

3 基于微波相干解调技术设计光纤光栅的微振动传感系统

3.1 动态应力监测技术的研究背景

3.2 解调原理与特性

3.3 光纤光栅的低频微振动传感实验

3.4 本章小结

4 采用光电振荡原理构建的新型光纤传感系统

4.1 基于光电振荡原理的光纤传感原理与特性

4.2 光电振荡型光纤温度传感系统实验研究

4.3 基于光电振荡思想的双光纤光栅型应力传感原理分析研究

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文目录