【摘要】：光纖誕生以來(lái),光纖傳感技術(shù)以及各類(lèi)光纖傳感器件迅速發(fā)展。反射式強(qiáng)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(chǎng)合、針對(duì)不同待測(cè)參量、能滿(mǎn)足不同測(cè)量需求的新型反射式強(qiáng)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(cè)量學(xué)中的基本參量,在科學(xué)研究及生產(chǎn)實(shí)踐中需要進(jìn)行快速、高精度、自動(dòng)化的測(cè)量,并且還需要滿(mǎn)足防潮、防爆、無(wú)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(duì)于測(cè)量學(xué)發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義。本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了一種基于反射式光強(qiáng)調(diào)制型物體位移和角位移測(cè)量光纖傳感器。首先對(duì)傳感器的測(cè)量原理和基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(duì)理論傳感曲線(xiàn)進(jìn)行模擬和仿真;分析各參數(shù)對(duì)傳感性能的影響,指導(dǎo)此類(lèi)傳感器的設(shè)計(jì)思想與技術(shù)路徑;然后,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)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(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬和仿真的理論結(jié)果相比較,證實(shí)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(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)光強(qiáng)度補(bǔ)償?shù)姆椒?通過(guò)理論分析可知該探頭結(jié)構(gòu)在補(bǔ)償光強(qiáng)度漂移、提高傳感器穩(wěn)定性的同時(shí)還可改善其傳感性能。本文在以下方面獲得了一些有價(jià)值的結(jié)果,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的光纖位移和角位移傳感器在理論和實(shí)驗(yàn)上的有效性,具有一定的創(chuàng)新意義。1、在位移傳感的實(shí)驗(yàn)研究中,得到實(shí)際傳感曲線(xiàn)的形狀為一個(gè)左右不對(duì)稱(chēng)鐘形曲線(xiàn),左邊為前坡,右邊為后坡,曲線(xiàn)前坡與后坡都能夠作為位移傳感曲線(xiàn)使用;通過(guò)對(duì)前、后坡曲線(xiàn)分別進(jìn)行線(xiàn)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(xiàn)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(shí)驗(yàn)研究中,得到關(guān)于峰值位置(角位移為0處)對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)具有很好線(xiàn)性度的正、負(fù)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(duì)應(yīng)于不同的角位移傳感曲線(xiàn),在0角位移時(shí),角位移傳感曲線(xiàn)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(xiàn)峰值達(dá)到最大值之前,間距的增大并不改變角位移傳感器的線(xiàn)性傳感區(qū)間,僅對(duì)其靈敏度產(chǎn)生影響,實(shí)驗(yàn)表明該光纖角位移傳感器的最大靈敏度為13.71%/deg,線(xiàn)性傳感區(qū)間為[-7.20°,7.20°]。本文所述的反射式強(qiáng)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(cè)量,還可與其他裝置組合構(gòu)成測(cè)量其它參量的傳感器,如速度計(jì)、加速度計(jì)、角加速度計(jì)和流量計(jì)等,具有廣泛的應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)化價(jià)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(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TP212

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本文編號(hào)：2428385