基于慢光的光纤光栅电流传感器信号解调系统研究

摘要

光纤布拉格光栅(FBG)传感器是近年来发展非常迅速的一种新型光纤传感器。由于它不受电磁干扰影响、易于与外部待测参数相结合等显著特点，FBG的传感特性和结构已被广泛的研究和应用。本论文在对光纤光栅传感器和慢光技术研究的基础上，将慢光技术引入到光纤光栅传感器的信号解调系统之中，提高了其灵敏度。其实质是慢光的引入会提高用于解调FBG传感器的光纤干涉仪的灵敏度，从而提高了整个系统的灵敏度。本文主要研究了以下几个方面:
　　(1)提出了一种基于等强度悬臂梁的FBG电流传感器单元。首先进行了理论建模和仿真分析，建立了电流的大小和FBG反射中心波长的偏移量之间的关系，并根据实际情况选择参数进行仿真分析。实验结果表明，在0～2A内，电流变化量与光纤光栅中心反射波长的变化量成线性关系，最大误差为0.04A，误差平均值为0.019A，电流的检测灵敏度为0.290nm/A。
　　(2)采用全光纤M-Z干涉仪对FBG的波长信号进行解调，进行了光纤干涉仪的波长解调实验。首先推导了光纤M-Z干涉仪的解调原理，仿真研究了光纤耦合器分光比对干涉仪输出特性的影响，得到在3dB耦合器的条件下，干涉仪输出条纹的可见度最大。同时，研究了干涉仪的臂长差对解调的影响，得到了臂长差和解调范围的关系。实验前首先用宽谱光源得到了光纤M-Z干涉仪的干涉谱，进行了臂长差的测定，实验结果表明光纤光栅反射波长的分辨力达到了0.02nm。
　　(3)讨论了引入慢光后M-Z干涉仪波长解调灵敏度的变化，并仿真验证了光子晶体波导慢光使得M-Z干涉仪的灵敏度有了大幅提高，具体提高倍数与所选择光子晶体波导的群指数有关。本文通过仿真研究证明，基于光子晶体波导慢光的光纤M-Z干涉仪解调灵敏度可以提高10倍以上。
　　本论文设计和提出的将慢光技术应用于光纤光栅电流传感信号解调的新方法达到了预期的设计要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．1．1 电磁互感器的缺点

1．1．2 光纤电流传感器的优点

1．2 国内外研究进展

1．2．1 国外光纤电流传感器的研究进展

1．2．2 国内光纤电流传感器的研究进展

1．3 本课题研究的主要内容

第2章 光纤光栅的概述

2．1 光纤光栅概念

2．1．1 光纤光栅发展和制作方法概述

2．1．2 光纤光栅在传感领域的应用

2．2 光纤光栅理论分析方法

2．3 FBG的应变传感理论模型

2．3．1 FBG的应变传感特性分析

2．3．2 应变温度交叉敏感的分离

2．4 新型的光纤光栅电流传感器

2．4．1 传感器的结构和工作原理

2．4．2 系统理论的分析

2．5 本章总结

第3章 基于慢光的FBG波长解调系统的研究

3．1 FBG解调技术的发展

3．1．1 滤波法解调FBG

3．1．2 干涉法解调FBG

3．2 光纤M-Z干涉仪波长解凋的理论推导

3．3 基于光纤M-Z干涉仪波长解调系统建立及分析

3．4 慢光增强M-Z干涉仪灵敏度分析与验证

3．4．1 光子品体波导产生慢光的理论

3．4．2 光子晶体波导的参数对群折射率的影响

3．4．3 光子晶体慢光增强M-Z干涉仪灵敏度研究

3．5 本章总结

第4章 光纤光栅电流传感解调系统实验研究

4．1 系统实验装置

4．1．1 系统整体结构图

4．1．2 实验器件的选取和设计

4．2 FBG电流传感器解调系统实验

4．2．1 通电螺线管磁感应强度实验

4．2．2 FBG电流传感实验

4．2．3 M-Z干涉仪解调实验

4．3 本章总结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢