【摘要】：光纖誕生以來,光纖傳感技術(shù)以及各類光纖傳感器件迅速發(fā)展。反射式強度調(diào)制型光纖傳感器是光纖傳感器家族中重要組成部分,可用于不同場合、針對不同待測參量、能滿足不同測量需求的新型反射式強度調(diào)制型光纖傳感器的研制持續(xù)受到研究人員的關(guān)注;其次,位移及角位移作為測量學(xué)中的基本參量,在科學(xué)研究及生產(chǎn)實踐中需要進行快速、高精度、自動化的測量,并且還需要滿足防潮、防爆、無源、低噪聲和保密性等技術(shù)要求,因此,研制新型光纖位移和角位移傳感器對于測量學(xué)發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的進步具有重要意義。本文從理論和實驗兩方面研究了一種基于反射式光強調(diào)制型物體位移和角位移測量光纖傳感器。首先對傳感器的測量原理和基本結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與分析,推導(dǎo)位移和角位移傳感調(diào)制的特性函數(shù);其次,根據(jù)所得特性函數(shù)及具體參數(shù)對理論傳感曲線進行模擬和仿真;分析各參數(shù)對傳感性能的影響,指導(dǎo)此類傳感器的設(shè)計思想與技術(shù)路徑;然后,通過實驗對所設(shè)計的光纖微位移和角位移傳感器的傳感性能、重復(fù)性、遲滯性等進行測量和驗證,并將實驗結(jié)果與模擬和仿真的理論結(jié)果相比較,證實了其一致性;最后,闡述一種光纖探頭結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計來實現(xiàn)探測光強度補償?shù)姆椒?通過理論分析可知該探頭結(jié)構(gòu)在補償光強度漂移、提高傳感器穩(wěn)定性的同時還可改善其傳感性能。本文在以下方面獲得了一些有價值的結(jié)果,驗證了所設(shè)計的光纖位移和角位移傳感器在理論和實驗上的有效性,具有一定的創(chuàng)新意義。1、在位移傳感的實驗研究中,得到實際傳感曲線的形狀為一個左右不對稱鐘形曲線,左邊為前坡,右邊為后坡,曲線前坡與后坡都能夠作為位移傳感曲線使用;通過對前、后坡曲線分別進行線性擬合,在耦合系數(shù)為99%的條件下,得到前坡和后坡光纖位移傳感器的量程分別為1.05mm和1.60mm,其傳感區(qū)間分別是0.10-1.15mm和1.30-2.90mm,后坡位移傳感量程為前坡的1.5倍;前坡和后坡位移傳感靈敏度分別為(105.92%×Pmax)mW/mm和(27.51%×Pmax)mW/mm,其中Pmax為傳感曲線最大功率值,前坡傳感靈敏度為后坡的3.85倍。2、在角位移傳感的實驗研究中,得到關(guān)于峰值位置(角位移為0處)對稱的兩個具有很好線性度的正、負角度傳感區(qū)間;并發(fā)現(xiàn)反射鏡到光纖端面之間不同的距離對應(yīng)于不同的角位移傳感曲線,在0角位移時,角位移傳感曲線峰值的大小隨反射鏡與光纖端面間距增大而先增加后減小。但在傳感曲線峰值達到最大值之前,間距的增大并不改變角位移傳感器的線性傳感區(qū)間,僅對其靈敏度產(chǎn)生影響,實驗表明該光纖角位移傳感器的最大靈敏度為13.71%/deg,線性傳感區(qū)間為[-7.20°,7.20°]。本文所述的反射式強度調(diào)制型光纖傳感器不僅可用于微位移或角位移的直接測量,還可與其他裝置組合構(gòu)成測量其它參量的傳感器,如速度計、加速度計、角加速度計和流量計等,具有廣泛的應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)化價值。
[Abstract]:Since the birth of the optical fiber, the fiber-optic sensing technology and various fiber-optic sensor devices have developed rapidly. The reflective intensity modulation type optical fiber sensor is an important component in the fiber sensor family, and can be used for different occasions, and the development of a novel reflective intensity modulation type optical fiber sensor which can meet different measurement requirements can be used for different occasions, and the development of the novel reflective intensity modulation type optical fiber sensor can be continuously subject to the attention of the researchers; and secondly, the displacement and the angular displacement are taken as the basic parameters in the measurement, and the rapid, high-precision and automatic measurement needs to be carried out in scientific research and production practice, and the technical requirements of moisture-proof, explosion-proof, no-source, low-noise and confidentiality are also needed, The development of new type of optical fiber displacement and angular displacement sensor is of great significance for the development of surveying and the progress of modern industrial technology. In this paper, a kind of optical fiber sensor based on reflection type light intensity modulation type object displacement and angular displacement is studied from the aspects of theory and experiment. The measuring principle and the basic structure of the sensor are firstly designed and analyzed, and the characteristic functions of displacement and angular displacement sensing modulation are derived; secondly, the theoretical sensing curve is simulated and simulated according to the obtained characteristic function and the specific parameters; and the influence of each parameter on the sensing performance is analyzed, the design idea and the technical path of such sensors are guided; then, the sensor performance, the repeatability, the hysteresis and the like of the designed optical fiber micro-displacement and the angular displacement sensor are measured and verified by the experiment, and the experimental results are compared with the theoretical results of the simulation and the simulation, The consistency of the probe is confirmed. Finally, a special design of the structure of the optical fiber probe is introduced to realize the method of detecting the light intensity. In this paper, some valuable results are obtained, and the theoretical and experimental results of the designed optical fiber displacement and angular displacement sensor are verified. the shape of the actual sensing curve is a left-right asymmetric clock-shaped curve, the left side is the front slope, the right side is the back slope, the front slope and the back slope of the curve can be used as a displacement sensing curve, The measuring range of the front and back slope fiber displacement sensors is 1. 05mm and 1. 60mm, respectively. The sensing interval is 0. 10-1. 15 mm and 1. 30-2.90mm, respectively. The displacement sensing range of the rear slope is 1. 5 times of the front slope, and the displacement sensing sensitivity of the front and back slope is (105.92%, Pmax) mW/ mm and (2.51%, Pmax) mW/ mm, respectively. Pmax is the maximum power value of the sensing curve, the sensitivity of the front slope is 3.85 times of the rear slope, and two positive and negative angle sensing sections with good linearity are obtained in the experimental study of angular displacement sensing. and finding that the distance between the reflecting mirror and the end surface of the optical fiber corresponds to different angular displacement sensing curves, and when the angular displacement is zero, the magnitude of the peak value of the angular displacement sensing curve increases as the distance between the reflecting mirror and the end surface of the optical fiber is increased, and then is reduced. but before the peak of the sensing curve reaches the maximum value, the increase of the distance does not change the linear sensing interval of the angular displacement sensor, and only the sensitivity is affected, and the experiment shows that the maximum sensitivity of the optical fiber angular displacement sensor is 13.71%/ deg. and the linear sensing interval is[-7.20 擄, 7.20 擄]. the reflective intensity modulation type optical fiber sensor is not only used for direct measurement of micro-displacement or angular displacement, but also can be combined with other devices to form a sensor for measuring other parameters, such as a speedometer, an accelerometer, an angular acceleration meter, a flow meter and the like, and has wide application prospect and industrial value.
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP212

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本文編號：2428385