基于DBR光纤激光器的振动信号测量研究

摘要

分布式布拉格反射（DBR, Distributed Bragg Reflector）光纤激光器因其具有拍频变化的灵敏特性被广泛用于传感领域，例如温度、应力、超声、磁场、弯曲以及振动的测量中。目前，DBR 光纤激光器作为传感器件时，大部分的研究都是关于压力、电流、弯曲等静态物理量的测量，很少有将其用于测量像振动一样的动态信号的相关研究。 鉴于此，本论文结合前人的研究成果，将DBR光纤激光器的拍频特性从静态信号的测量推广到动态信号，提出了一种基于DBR光纤激光器的振动测量新方法。首先，本论文回顾了国内外光学领域内常见的振动测量的研究现状，对光学领域内常见的振动测量方法进行了讨论；其次，本文对DBR光纤激光器的拍频检测原理进行了研究，讨论了DBR光纤激光器测量静态物理量（温度、压力、超声、弯曲等）和光学领域内常见的振动测量的方法；最后，本论文在前面几章工作的基础上，提出了基于DBR光纤激光器的振动测量新方案。该方案直接将DBR光纤激光器进行封装后作为传感器感受振动，它具有结构简单、易于测量、便于解调、测量结果准确等优点，并展开了一系列实验论证了方案的可行性。 研究结果表明，本论文提出的基于DBR光纤激光器的振动测量方案具有良好的振动测量能力。该方案测得的频率几乎等于实际振动的频率，误差小于1Hz，并且对振动幅度有很好的区分度，而灵敏度则达到了60kHz/μm，表明了DBR光纤激光器在经过适当的封装后能够直接用来测量低频振动信号。该方案为振动的检测与测量提供了新的思路。

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第1章 绪论

1.1 光纤传感技术与振动测量方法概述

1.1.1 光纤传感技术

1.1.2 振动测量方法

1.2 国内外研究现状

1.2.1 DBR光纤激光器的发展现状

1.2.2 光学领域振动测量研究现状

1.3 论文研究内容与组织结构

第2章 DBR光纤激光传感器理论基础

2.1 光纤传感器

2.1.1 光纤传感器系统

2.1.2 光纤传感器分类

2.2 光纤光栅的原理

2.2.1 光纤光栅的模式耦合理论

2.2.2 光纤光栅的分类

2.3 光纤光栅传感技术

2.3.1 光纤光栅系统的组成

2.3.2 光纤光栅的传感原理

2.4 单纵模DBR掺铒光纤激光器的工作原理

2.4.1 泵浦源

2.4.2 谐振腔结构

2.4.3 激光振荡的原理

2.4.4 双折射与拍频

2.5 本章小结

第3章 基于DBR光纤激光器的静态信号测量与振动信号测量

3.1 DBR光纤光栅激光器的静态信号测量

3.1.1 轴向应变

3.1.2 压力

3.1.3 电流和磁场

3.1.4 弯曲

3.2 光学领域常见振动测量方法

3.2.1 干涉仪法

3.2.2 激光多普勒效应

3.2.3 光纤光栅匹配法

3.3 本章小结

第4章 基于DBR光纤激光器的振动测量方案与实验

4.1 测量方案

4.1.1 测量方案的构思

4.1.2 测量方案的设计

4.2 测量的实验原理研究

4.3 实验结果与分析

4.3.1 实验结果与分析

4.3.2 几种振动测量方案的比较

4.3.3 实验结论

4.3.4 实验方案改进

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明