光纤传感应用中若干关键技术及系统方案的研究

摘要

光纤传感是以光波为载体，光纤为煤质，感知和传输外界被测信号的新型传感技术。光纤传感技术因具有灵敏度高、体小质轻、外形改变灵活、抗电磁干扰、抗腐蚀性强等特点，自出现之日其就广泛应用于社会的多个领域。近年来新型微结构光纤的出现在促进光通信技术发展的同时，其传感特性也显现出诱人的应用前景。对微结构光纤传感特性的深入研究将会极大提升光纤传感技术并推动其应用领域的拓展。随着光纤传感技术应用市场的不断扩展，对高精度、低成本、商用化光纤光栅传感及解调系统的研究同样具有重要意义。 本论文主要是微结构光纤气液体传感及光纤光栅传感解调系统等方面的理论和实验工作。研究内容主要分两方面：一方面，通过数值仿真的方法，分析微结构光纤的结构和传输参数对其气液体传感特性的影响；另一方面，设计新型光纤光栅传感解调方案，并通过实验的方法，对所提传感解调系统进行性能研究。本论文的主要工作概述如下：第一部分：微结构光纤数值仿真平台的建立及传感特性的仿真分析 ◇基于对多种用于微结构光纤数值仿真方法的主要特点及适用场合的分析总结，建立了基于全矢量有限元法的微结构光纤数值仿真平台，并根据已发表的实验结果和数值结果，对仿真平台的可靠性和准确性进行了验证。 ◇建立了分析孔芯光子晶体光纤(PCF)传感特性的数值仿真模型，分析了孔芯PCF的气体及液体传感特性，详细讨论了光纤结构参量及传输光波长对其气液体传感灵敏度的影响；结果表明孔芯PCF孔结构内的电磁场能量分布最高可达总能量的1/2以上，同比是普通光子晶体光纤的四倍。 ◇建立了分析高折射率芯布拉格(Bragg)光纤传感特性的数值仿真模型，分析了高折射率Bragg光纤的气体传感特性，详细讨论了光纤结构参量对气体传感灵敏度的影响；结果表明高折射率芯Bragg光纤中空气孔中的电磁场能量分布最高可达1/4以上，比普通PCF高出一倍以上。 第二部分：新型光纤光栅传感解调系统的实验研究及性能分析◇提出了基于匹配光栅和线型腔拉曼光纤激光器的光纤布拉格光栅(FBG)传感解调系统方案，并进行了实验验证；结果表明该方案具有分布式、高信噪比、高抗干扰性等优点。 ◇改进了基于线型腔掺铒光纤激光器、环型腔掺铒光纤激光器的FBG传感解调系统，并对此两种系统进行了实验验证；实验结果表明该两种系统具有高信噪比、高抗干扰性、高传感灵敏度等优点。 ◇提出了基于匹配光纤光栅的FBG传感解调系统方案，并分别利用步进电机和温度调节箱作为调谐装置进行了系统实验验证；实验结果表明该种系统方案具有结构简单、成本低廉，传感灵敏度较高等特点。 ◇提出了基于马赫．曾德尔干涉仪(MZI)和匹配光纤光栅的FBG传感解调系统方案，并进行了实验验证，实验结果表明，此方案具有结构新颖、传感灵敏度高，全光结构等优点。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1 2光纤技术发展及现状

1.3光纤传感原理及分类

1.3.1光强调制型光纤传感

1.3.2光相位调制型光纤传感

1.3.3光偏振调制型光纤传感

1.3.4光波长调制型光纤传感

1.4光纤传感的应用及发展趋势

1.4.1光纤传感的应用

1.4.2光波传感技术的发展趋势

1.5本论文的主要工作

1.6本论文的创新点

参考文献

第二章微结构光纤的有限元仿真

创新点

2.1引言

2.2全矢量有限元模型

2.2.1边值问题及里兹方法

2.2.2离散单元与插值函数

2.2.3 PML边界条件

2.2.4对称边界与模式求解

2.2.5矢量有限元模型

2.3总结

参考文献

第三章孔芯PCF气体及液体传感特性分析

创新点

3.1引言

3.2孔芯PCF气液体传感特性

3.2.1光子晶体光纤气液体传感原理

3.2.2孔芯PCF气体传感特性

3.2.3孔芯PCF液体传感特性

3.3 PCF的长度对其传感特性的影响

3.4结论

参考文献

第四章高折射率芯Bragg光纤气体传感特性

创新点

4.1引言

4.2高折射率芯Bragg光纤气体传感特性

4.2.1高折射率芯Bragg光纤气体传感原理

4.2.2光纤结构设计及模场分布

4.2.3计算结果及传感特性分析

4.3结论

参考文献

第五章基于光纤激光器的FBG传感解调系统

创新点

5.1引言

5.2基于线型腔掺铒光纤激光器的FBG传感解调系统

5.2.1系统结构与解调原理

5.2.2实验装置与结果

5.2.3 小结

5.3基于环型腔掺铒光纤激光器的FBG传感解调系统

5.3.1系统结构与解调原理

5.3.2实验装置与结果

5.3.3 小结

5.4基于线型腔拉曼光纤激光器的FBG传感解调系统

5.4.1系统结构与解调原理

5.4.2实验装置与结果

5.4.3 小结

5.5结论

参考文献

第六章基于匹配FBG的FBG传感解调系统

创新点

6.1引言

6.2基于步进电机调谐的FBG温度传感解调系统

6.2.1 FBG温度增敏及匹配FBG解调原理

6.2.2系统结构及实验结果

6.2.3 小结

6.3基于温控箱调谐的FBG温度传感解调系统

6.3.1系统结构及工作原理

6.3.2实验结果

6.3.3 小结

6.4结论

参考文献

第七章基于MZI的FBG传感解调系统

创新点

7.1引言

7.2系统结构与解调原理

7.2.1系统结构

7.2.2解调原理

7.3实验装置及结果

7.4结论

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间完成的论文