發(fā)布時間：2021-06-05 12:32

　　隨著社會的不斷發(fā)展,人們對傳感器的需求日益增長。光纖傳感器具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾強以及耐腐蝕性強等優(yōu)點,在能源、醫(yī)療、國防和大型基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,已逐步替代傳統(tǒng)的傳感器成為工業(yè)領(lǐng)域的主流傳感器之一。本文基于相位敏感型分布式光纖振動傳感原理,采用波分復(fù)用技術(shù),在同一根傳感光纖上實現(xiàn)了振動和溫度同時監(jiān)測。文章主要從實驗原理、系統(tǒng)設(shè)計和實驗驗證等方面展開研究。研究光纖傳感背景及關(guān)鍵技術(shù),分析了幾種常見的分布式光纖振動傳感器和分布式光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)和研究現(xiàn)狀。重點研究了光纖中的后向散射理論,深入探討了?-OTDR光纖振動傳感定位技術(shù)及拉曼后向散射測溫解調(diào)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了分布式光纖振動溫度融合傳感裝置。該裝置主要包括激光器、聲光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、環(huán)形器、波分復(fù)用器、傳感光纖、光電探測器和數(shù)據(jù)處理模塊。對各個模塊的參數(shù)進行分析和優(yōu)化,確定了系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。設(shè)計了信號處理流程,設(shè)計采用滑動平均、滑動差值算法處理振動信號,實現(xiàn)對振動定位和提取。編寫累加平均、溫度補償、溫度標(biāo)定算法,對溫度信號進行處理,實現(xiàn)溫度信號的解調(diào)和標(biāo)定。搭建了分布式光纖振動溫度融合型傳感實驗... 

【文章來源】：安徽師范大學(xué)安徽省

【文章頁數(shù)】：60 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

Mach-Zehnder光纖干涉技術(shù)原理圖

41.2.2基于Michelson干涉原理的分布式光纖振動傳感器圖1.2展示的是Michelson干涉儀[22]。激光器發(fā)出的光經(jīng)過耦合器被分成兩束光C1、C2，分別進入傳感光纖和參考光纖，到達反射端面的稱為參考光束，到達可動端面的稱為測量光束。反射回來的光經(jīng)過耦合器最終被探測器檢測[38-40]。當(dāng)有外界信號作用時，探測器可接收的光強為/2cos1IIs0）（（1.3）式中：0I是激光器光強，s是兩路光通道的相位差，I是探測器接收到的光強。圖1.2Michelson光纖干涉技術(shù)原理圖XiaobinHong,JianWu,ChaoZuo,FangsenLiu等人描述了一種包含兩個Michelson干涉儀的分布式光纖振動傳感器[41]。使用了相位探測器和兩個3×3耦合器來解調(diào)由振動引起的時變相位變化，兩個干涉儀被四個波分復(fù)用器分開。振動的位置通過信號相關(guān)性獲得，可以用做周界安全性傳感器來定位入侵者。文章所展示的基于帶有FRM的Michelson干涉儀的光纖振動傳感器可以相應(yīng)的減少極化效應(yīng)，通過在4012m長的傳感光纖上進行實驗，證明了定位分辨率可達到m51。在提高精度的同時，模式識別也同樣十分重要。隨著信息時代的到來，傳感技術(shù)正吸引著更多人的目光。吉林大學(xué)的王亮研究了Michelson干涉光纖振動的模式識別方法[40]，他使用了小波包變換和希爾伯特-黃變換用于提取小波包能量特征和邊際頻譜特征信號的方法。實驗結(jié)果表明，該方法能夠有效地區(qū)分各種瞬態(tài)擾動事件，該算法的分類準(zhǔn)確率高達96.76％，并具有較高的辨識度。為了更好地服務(wù)于人們生產(chǎn)生活，預(yù)防自然災(zāi)害，減少人類不必要的損失，并進一步提高定位分辨率。2018年，大連理工大學(xué)的田德忠設(shè)計了一種基于光譜解調(diào)的光纖Michelson位移傳感器系統(tǒng)用于邊坡監(jiān)測[42]。系統(tǒng)包括sm125-500掃描激光解調(diào)器、光纖耦合器、光纖Michelson干涉儀、信息處理裝?

5光源光譜的影響；最后設(shè)計了FFT算法作為信號的解調(diào)方法，實現(xiàn)了信號的高效、大動態(tài)范圍解調(diào)。對實驗系統(tǒng)的偏振衰落問題進行了綜合分析，并對法拉第旋轉(zhuǎn)進行了研究。采用反射鏡消除系統(tǒng)的偏振衰落，詳細研究了光纖折射率的變化，然后通過實驗來校準(zhǔn)傳感器系統(tǒng)保證了傳感器的高測量性能。光纖利用拉伸裝置進行拉伸，模擬實際邊坡滑動。實驗結(jié)果表明，這種低相干Michelson方法具有較高的精度，可以達到是m19、可重復(fù)性為m7.17、最高分辨率可以是m03n、動態(tài)范圍為m10c。1.2.3基于Sagnac干涉原理的分布式光纖振動傳感器圖1.3Sagnac光纖干涉技術(shù)原理圖圖1.3是Sagnac光纖干涉儀結(jié)構(gòu)，激光器通過耦合器分成兩路光。兩路光在同一個光纖環(huán)中分別按照順、逆時針方向傳輸后，同一時間回到耦合器處并發(fā)生干涉，最終被光電探測器檢測。當(dāng)光纖上的某一點發(fā)生振動，這就使得兩束走過同樣路程所需的時間大不一樣，相位的變化就此產(chǎn)生，那么光強的變化便可以調(diào)制出振動信息[43-46]。假設(shè)光源光強為0I，則C1和C2的光強為/20I，由已知的干涉原理，可得返回到光電探測器的光信號強度：cos1II）（0（1.4）式中：0I為光源光強；為順、逆時針兩路光的相位差；I是探測器接收到的光強。Kaczmarek提出了一種基于Sagnac干涉儀用于測量雙折射光纖中模態(tài)雙折射對壓力的敏感度[47]。在該方法中，根據(jù)包括被測量的光纖在內(nèi)的Sagnac干涉儀的壓力靈敏度的測量結(jié)果和該光纖的群模態(tài)雙折射的測量結(jié)果來確定光纖的模態(tài)雙折射的壓力靈敏度。利用上述方法，對波長為1460-1600nm的雙折射光纖（光子晶體光纖和領(lǐng)結(jié)光纖）的模態(tài)雙折射的壓力敏感性進行了測量。使用此方法，對波長為1550nm的保偏光纖在20-70℃的溫度范圍內(nèi)進行實驗。將這些測量結(jié)果與通過其他方法獲得的相同類型光纖?

【參考文獻】：
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本文編號：3212173