基于LP21模式的光纤弯曲传感器

摘要

光纤弯曲传感器作为一种新型的弯曲传感器，具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、质量轻体积小等优点，有着广泛的应用。现有的光纤弯曲传感器虽然能达到一定的灵敏度与分辨率，但无法区分弯曲方向，且需要光谱分析装置或后续的图像处理。此外还存在交叉敏感问题，精度受温度的影响较大，因此实际应用受到一定限制。
　　 本文介绍了一种基于光纤LP21模式的光斑图像弯曲传感器。当传感器弯曲时，内含的光纤会发生扭转，使得光纤输出的LP21模式光斑发生同方向的旋转。通过CCD检测光斑的旋转角，即可算得光纤扭转角，进而得到传感器的弯曲值。与传统的光纤弯曲传感器相比，结构更为简单，且不受环境温度的干扰，同时还能根据光斑旋转方向来确定弯曲方向。更为难得的是，对传感区外的光纤进行弯曲时，LP21模式光斑既不变形也不旋转，这就能去除光纤传感区外的应力的影响。这个特点使得LP21弯曲传感器拥有非常强的扩展性。
　　 本论文从研究传感器和LP21模式理论出发，主要完成了以下几部分的研究内容:
　　 首先，深入了解了弯曲传感器的相关知识，对已有的弯曲传感器理论、发展现状进行了总结归纳。并对各弯曲传感器的优缺点和技术上存在的主要问题进行了分析。
　　 其次，研究了弹光效应和LP21模式传播理论，分析光纤同时发生弯曲和扭转时LP21模式的特性。并应用螺旋杆模型理论，计算传感器弯曲角与圆弧形光纤扭转角之间的关系。
　　 再次，介绍了在实验室条件下，传感器各部件的设计和制作方法。完成了传感器和测试平台的制作。测试了不同参数的弯曲传感器的性能和对温度的敏感性，应用Matlab等工具分析实验数据，得出结论。实验结果表明，该光纤弯曲传感器拥有很高的精确度和灵敏度，且具有良好的温度稳定性。
　　 最后，深入挖掘LP21模式的应用潜力，提出了多个优化和扩展方案。以期达到提高传感器的精度和灵敏度，并能同时测量多个参数的目的。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 传感器概述

1．1．1 传感器的组成

1．1．2 传感器的基本特性

1．1．3 传感器的发展趋势

1．2 光纤传感器概述

1．2．1 光纤传感器的结构

1．2．2 光纤传感器的基本特性

1．2．3 光纤传感器的分类

1．2．4 光纤传感器的发展趋势

第2章 光纤弯曲传感器基本理论

2．1 光纤弯曲传感器概述

2．2 典型的光纤弯曲传感器

2．3 光纤弯曲传感器现状和研究方向

2．4 本论文主要研究内容

第3章 LP21光纤弯曲传感器的原理

3．1 设计方案

3．2 LP21模式传感原理

3．2．1 LP21模式概述

3．2．2 光纤扭转时的LP21模式特性

3．2．3 光纤弯曲时的LP21模式特性

3．2．4 光斑旋转角公式的推导

第4章 LP21弯曲传感器的设计制作

4．1 光源和LP21模式的选择

4．2 光纤结构设计和弹性片加工

4．2．1 光纤结构

4．2．2 弹性片的加工

4．3 光斑图像处理系统

4．3．1 图像采集

4．3．2 图像预处理

4．3．3 图像计算分析

第5章 实验结果和误差分析

5．1 实验测试系统

5．2 实验结果

5．3 温度误差分析

第6章 传感器的改进和扩展

6．1 多光纤结构

6．2 阵列结构

6．3 面结构

第7章 总结和展望

参考文献

个人简历和学术论文成果