光纤法布里-珀罗传感器及其复用研究

摘要

光纤法布里.珀罗(F-P)传感器作为一种高精度的干涉型光纤传感器，具有结构简单、体积小、灵敏度高、不受电磁干扰、适用于恶劣环境、能够实现远程信号处理和可以复用等优点，具有广泛的工业应用前景。目前，已成功应用于土木工程、油井监测、航天航空、医学及生物等方面。本文对光纤F-P传感器的参数设计、制作和复用技术进行了深入的研究。
　　 首先，利用真空镀膜和光纤熔接技术制作出端面镀金膜、插入损耗低的光纤本征法布里.珀罗(IFPI)传感器，详细分析了其温度、应变传感机理，并对其温度、应变传感特性进行了实验研究，为后续的复用研究奠定基础。实验证明，对于相对腔长为357.675um的光纤IFPI传感器，从室温到250℃的温度范围内，相对腔长随温度变化灵敏度为2.42nm/℃；在测量范围400με，应变灵敏度为0.28nm/με，与理论分析相符。通过优化可设计出合适的IFPI感器腔长来满足实际的温度应变测量灵敏度要求。
　　 在实验室已有研究工作的基础上，设计和制作了适用于高温高压环境下的多参量测量的光纤非本征法布里.珀罗(EFPI)传感器。该光纤EFPI传感器是采用CO2激光热熔接技术制作的，由于不同材料的热膨胀系数不同，分别用多模光纤和玻璃丝制作反射端，优化设计出低温度压力交叉敏感的光纤EFPI压力传感器和高灵敏度的光纤EFPI温度传感器。对于EFPI压力传感器其压力灵敏度为24.8nm/Mpa，对于EFPI温度传感器其温度灵敏度为22.3nm/℃。
　　 最后，提出IFPI/EFPI串联复用结构，分析了频分复用的原理并进行数值模拟。首先利用加Hamming窗的FIR带通滤波器对串联叠加信号进行滤波和分离；然后采用交叉相关解调算法分别对两个传感器信号进行解调，并且分析了两个传感器信号串扰的原因，主要是傅里叶变换后两信号旁瓣的影响。利用加Hamming窗技术可以减小这种串扰。实验结果表明，两传感头之间的串扰最小可低至0.1％，能够满足实际应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1光纤传感器的特点及发展概述

1.2光纤F-P传感器的发展

1.2.1光纤IFPI传感器发展历程

1.2.2 光纤EFPI传感器发展历程

1.3光纤传感器复用发展历程

1.4选题的依据和意义

1.5论文研究的内容和结构

2光纤法布里-珀罗传感器基本原理

2.1光纤法布里-珀罗传感器基本原理

2.2光纤双F-P腔干涉原理

2.3光纤法布里-珀罗传感器解调方法

2.3.1强度解调方法

2.3.2相位解调方法

2.4光纤法布里-珀罗传感器复用方法

2.4.1波分复用技术

2.4.2频分复用技术

2.4.3时分复用技术

2.4.4相干复用技术

3光纤法布里-珀罗传感器多参量测量研究

3.1光纤IFPI传感头的制作

3.1.1光纤端面镀膜

3.1.2 F-P腔的制作

3.2光纤IFPI传感器的应变温度试验

3.2.1光纤IFPI传感器应变传感机理及实验结果

3.2.2光纤IFPI传感器温度传感机理及实验结果

3.3光纤EFPI传感头的结构

3.4光纤EFPI传感器的压力温度试验

3.4.1光纤EFPI传感器压力传感机理及实验结果

3.4.2光纤EFPI传感器温度传感机理及实验结果

4光纤法布里-珀罗传感器的串联复用研究

4.1光纤IFPI/EFPI传感器频分复用结构

4.1.1频分复用原理分析和数值模拟

4.1.2光纤IFPI/EFPI传感器串联复用结构及返回光谱分析

4.2光纤EFPI/IFPI串联复用信号解调

4.3EFPI/IFPI串联复用串扰分析以及实验结果

4.3.1串扰分析

4.3.2实验结果和分析

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢