基于Sagnac干涉仪的新型波长解调光纤传感器

摘要

本文介绍了基于Sagnac干涉仪的新型波长解调光纤传感器。众所周知，Mach-Zehnder干涉仪经常被用来制作传感器使用。这种传感器具有高灵敏性的特点，但是其非常容易被外界的因素所干扰。基于这个缺点，我们想用Sagnac干涉仪代替Mach-Zehnder干涉仪。Sagnac干涉仪最大的特点就是两束光分别沿方向相反的闭合光路传播，这就使得光波始终处在相同的环境中，这样就能很好的屏蔽外界环境对光路的影响，我们称这一特性叫做互易性。这个特性使其能够消除在使用M-Z等干涉仪测量时，由于环境温度所造成的不稳定因素的影响。因而，将光纤Sagnac干涉型传感器设计用于对外界振动源的测量时，能够克服M-Z的不稳定性。Sagnac干涉仪具有抗干扰性能强的优点，能够将环境中的干扰信号相互抵消，但也正是这一优点的存在，在信号相互抵消的过程中需要传感的信号也被抵消了，使得Sagnac干涉仪不能作为传感器来使用。为了结合Sagnac干涉仪和M-Z干涉仪的优点，我们在Sagnac干涉仪原有的基础上添加了两个重要的装置：一个是相位压缩装置，另一个是双折射光纤。 相位压缩装置是在系统中添加一个相位调制器(这里用PZT来实现)和一段延时光纤。通过推导计算，不难发现这个系统能够很好的压缩相位，大大扩展了测量的范围，使相位和传感量之间形成线形关系，扩展了Sagnac干涉仪的使用范围。将双折射光纤接入系统中，两束光波将被分解成两个正交的偏振光，即e光和o光。最终e光和o光将有一个相位差△φ。正是因为具备了这个相位差，使得Sagnac干涉仪可以作为一个传感器使用了。 在数据处理部分，本文主要介绍了基于CA3130的放大电路，基于ADC0809的模数转换和伟福S51单片机-P87C52(Philips)单片机的原理和应用。电路部分的作用是把光路输出信号转换为电压信号并放大和量化，测量有用值，利用推导得的公式，分析计算出波长，实现了对波长的解调，达到传感目的。 在文章的最后部分，我们又介绍了一种新型的波长解调技术——计数波长解调。通过对计数解调的理论分析和实验研究，我们选用了三段不同长度的高双折射光纤进行实验。其长度分别为0.02m、0.1m和30m组成的Sagnac干涉仪系统。通过分析，导出了光透过率与光波长的关系式，得出光透过率随波长变化的频率大体不变，且光透过率变化的频率与高双折射光纤的长度近似成正比的结论。这种技术是通过记录透过率变化的周期数，来判断波长的变化量，从而推出待测物理量的微小变化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1学术背景

1.2技术溯源

1.2.1激光进展

1.2.2光纤进展

1.2.3光纤传感器进展

1.3光纤传感技术

1.4光纤传感器件

1.4.1传感光纤

1.4.2光纤器件

1.4.3光源

1.4.4光探测器

1.5光调制技术

1.6 Sagnac干涉仪

1.6.1干涉仪概述

1.6.2 Sagnac干涉仪

1.7本课题主要研究内容

第2章相位调制机理

2.1相位调制概述

2.2应力应变效应

2.3 PZT相位调制器

2.4本章小结

第3章引入相位压缩技术的Sagnac干涉仪

3.1引入相位压缩技术的Sagnac干涉仪

3.2计算机模拟与实验结果对比

3.2.1实验原理

3.2.2计算机模拟与实验结果对比

3.3本章小结

第4章基于Sagnac干涉仪的波长解调光纤传感器

4.1双折射效应和双折射光纤

4.2引入双折射光纤的Sagnac干涉仪

4.2.1理论分析

4.2.2实验结果

4.3基于Sagnac干涉仪的波长解调光纤传感器设计方案

4.3.1理论分析

4.3.2计算机模拟与实验结果对比

4.4对光纤传感器设计方案调整的讨论

4.5本章小结

第5章实验数据处理

5.1基于CA3130的放大电路

5.1.1 CA3130概述

5.1.2放大电路设计

5.2模数转换器ADC0809

5.2.1模数转换概述

5.2.2 ADC0809性能概述

5.2.3 ADC0809封装

5.3单片机87C52

5.3.1 87C52性能概述

5.3.2 87C52封装

5.4 D-H8X5X仿真头

5.5模数转换控制

5.5.1 89C52与ADC0809的连接

5.5.2 89C52对ADC0809的控制

5.6实验数据处理

5.7本章小结

第6章另一款基于Sagnac干涉仪的波长解调光纤传感器

6.1原理分析

6.2存在问题与解决方案

6.3实验研究

6.3.1短、长双折射光纤系统的制作

6.3.2实验现象与结论

6.4本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢