双折射光纤SAGNAC环镜相位压缩光纤传感器的研究

摘要

20世纪70年代，光纤传感技术迅速发展起来。它以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测信号。光纤传感器是以光波为载体、光纤为介质的新型传感器，具有一系列独特的优点，已在许多领域得到广泛应用。 在各种光纤传感器中，光纤干涉型传感器以其简单的结构和较高的灵敏度在实验研究、实际应用中占据了较高的位置。光纤塞格纳克(Sagnac)干涉仪因为其极高的灵敏度也已经广泛应用于各个领域，尤其基于Sagnac干涉仪设计的光纤陀螺仪已经成为军事和商业应用最为成功的干涉型传感器件。 本文首先概括介绍了光纤传感器的诞生、发展及应用，并详细阐述了压电陶瓷(PZT)的光纤相位调制原理和Sagnac效应光相位调制原理，并对光相位调制原理和系统的工作原理进行了公式推导。组建了基于Sagnac结构光纤微分干涉仪实验系统。实验现象表明，相位差的最大限度与调制电压幅度和频率成正比，输出光的光强是周期变化的余弦波，输出光强的幅值与最大位相差即信号电压的幅度和频率成正比。 其次对双折射效应进行了分析推导，得到波长变化和相位变化有对应关系。并基于理论分析设计了双折射Sagnac光纤环镜相位压缩光纤传感器实验系统并进行了实验验证，该实验系统具有线性范围广、灵敏度高、对缓变的温度等环境因素不敏感等特点。通过实验发现，改变双折射光纤的长度，可以使在待测光波长的变化范围内引起的相位变化在干涉图样同一周期的一段线性范围内。 最后采用伟福S51单片机——P87C52(Philips)和模数转换芯片ADC0809设计模数转换电路，实现模数转换和进行分析计算，完成了解调过程。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2光纤传感器的工作原理

1.3光纤传感器的优点

1.4光纤传感器分类

1.5光纤传感技术的发展

1.6光纤传感器的应用

1.7本课题主要研究内容

1.8本课题来源

第2章 光相位调制原理

2.1引言

2.2光相位调制原理

2.3光纤的相位调制

2.3.1功能型光相位调制原理

2.3.2应变效应引起的单段光纤的相位调制

2.3.3光纤Sagnac效应引起的光相位调制

2.4几种常见的光纤干涉仪

2.4.1迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪

2.4.2马赫—泽德(M-Z)光纤干涉仪

2.4.3赛格纳克(Sagnac)光纤干涉仪

2.4.4法布里—珀罗(F-P)光纤干涉仪

第3章 相位压缩原理

3.1压电陶瓷(PZT)相位调制器原理

3.2 Sagnac干涉仪原理

3.3光纤微分干涉仪相位压缩原理

3.4光纤微分干涉仪实验系统

3.5实验结果及数据分析

3.5.1调节信号电压的频率

3.5.2调节信号电压的幅值

3.6本章小结

第4章 Sagnac传感器的波长解调

4.1相位压缩原理

4.2计算机模拟与实验结果对比

4.3双折射光纤的引入

4.3.1双折射效应和双折射光纤

4.3.2双折射光纤的微分干涉仪原理

4.4带双折射光纤的微分干涉仪计算机模拟与实验结果对比

第5章 Sagnac光纤传感系统中波长解调技术的电路信号处理系统

5.1 CA3130的放大电路

5.2 P87C52单片机处理系统

5.3采用ADC0809模数转换器进行模数(A／D)转换

5.4 ADC0809与P87C52的连接

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢