低相干光纤微分干涉非接触振动测量及应用研究

摘要

随着科学技术和现代工业的发展，振动测量技术在气体泄漏检测、航空发动机振动模态分析、桥梁等建筑物安全监测以及MEMS精密制造等领域的需求日益迫切。振动测量技术可分为机械式、电气式和光学式三大类，而光学测振技术以其精度高、电气绝缘、抗干扰强、频率范围广等优点，成为振动测量的重要发展方向。随着低损耗光纤的问世和新型光纤器件制作技术的不断成熟，出现了高性能的光纤振动传感器。低相干光纤微分干涉仪以其可测量绝对幅值，抗干扰能力强，无需机械调整，光程差自动匹配等优点，可用于速度、振动等多种参数的绝对值检测。
　　本文首先概述了光纤振动传感器的研究背景、研究意义，介绍了低相干微分干涉的特点及国内外的研究进展，与其他测振方法相比，低相干测量技术是一种高灵敏度和高精度的测振方法，在光电测量领域应用广泛。
　　其次，从白光干涉理论出发，深入研究了低相干微分干涉的原理及特性;介绍了几种常用干涉信号解调方法:经典外差相位解调法、无源零差正交解调法和相位生成载波零差法等，分析了它们的工作条件及优缺点，着重介绍了基于3 x3耦合器的无源解调算法。提出了一种基于低相干光纤微分干涉非接触测振的方法，采用了马赫-泽德尔和赛格纳克混合干涉仪结构，结合三路探测无源解调方法进行干涉信号的解调。实验结果表明，低相干光纤微分干涉可以实现远距离绝对幅值的测量，测量结果具有良好的线性度和频率响应度，同时兼具很高的测量精度和4.34pm～2.43mm的超高动态范围。
　　最后开展了气体泄漏振动测量研究，利用ANSYS FLUENT有限元分析软件对气体泄漏喷流流场进行数值模拟。结果表明，各参数中压强的变化对气体泄漏出射速度的影响最明显。论文提出一种基于低相干光纤微分干涉仪非接触气体泄漏检测方案，实验结果表明，通过采集的信号频谱可定性判断有无泄漏发生;同一探测位置，随着内部压强的增大，频谱的高频成分有明显的增加趋势，信号的幅值及能量也都随着增大;相同压强随着传播距离增加，信号的幅值和能量逐渐减小，该方法测量结果与理论模拟一致，可为气体泄漏检测提供新颖测量手段。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 低相干微分干涉及其特点

1．3 低相干微分干涉的研究进展

1．4 本论文主要研究内容

第二章 低相干光纤微分干涉仪与解调方法

2．1 白光干涉原理

2．2 低相干光纤微分干涉仪的基本原理

2．3 干涉信号的解调方法

2．4 微分干涉仪信号解调算法

2．4．1 反正弦解调算法

2．4．2 DCM解调算法

2．4．3 三路探测的解调算法

第三章 低相干光纤微分干涉非接触振动测量研究

3．1 引言

3．2 光纤微分干涉仪振动测量光路结构

3．2．1 测量光路结构及原理分析

3．2．2 测量的关键环节

3．3 信号解调方法

3．4 实验结果与分析

3．5 本章小结

第四章 基于低相干光纤微分干涉的气体泄漏检测

4．1 引言

4．2 气体泄漏产生振动机理

4．3 基于Fluent的气罐泄漏仿真

4．3．1 气罐泄漏仿真理论

4．3．2 气罐泄漏流场的模拟分析

4．4 气体泄漏检测实验装置

4．5 实验结果与分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的文章及专利