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应用于高温高压测量的非本征型光纤法布里-珀罗传感器系统研究

张桂菊  
【摘要】:本文的研究工作源于国家自然科学基金海外青年学者合作研究基金(60028505)项目和辽宁省科学技术基金(20042164)项目。 光纤法布里-珀罗传感器是当前光纤传感器研究领域的一个重要分支。光纤法-珀传感器除具备光纤传感器的一般优点外,还能够直接测量高温、高压、应变、振动及声波等多种参量,特别适用于石油化工、电力系统等恶劣环境下应用。本文以非本征型光纤法布里-珀罗干涉传感器为研究对象,对传感器的解调机理、传感头的制作技术及传感器应用于高温高压等多参量测量作了深入、系统的研究。主要包括以下几方面: 1、对干涉、强度结合型解调机理的光纤法布里-珀罗传感器系统进行深入的理论分析,给出自补偿强度型传感器的比值输出模型和实验验证。提出反相位干涉、强度结合自补偿解调型传感器系统,并给出这一解调机理的理论模型和数值计算结果。采用粗波分复用器(CWDM)将传感探头返回光信号分离为宽谱和窄谱两束,利用两束光相似的传输特性和不同的干涉特性,将传感器的输出比值设定在两束光相位相反的位置,补偿了光源波动和光纤传输损耗对测量的影响,且提高了信噪比和测量灵敏度。采用L-M非线性拟合算法对干涉、强度结合型光纤法-珀传感器进行比值和传感参量的标定,其非线性拟合相关度大于0.9999。 2、进行了非本征光纤法布里-珀罗传感探头的制作技术研究,采用CO_2激光热熔接的方法制作适用于高温高压等多参量测量的非本征型光纤F-P传感头。针对传感头的温度和压力交叉敏感性问题,设计和制作出一种结构简单的激光热熔全石英密封结构型压力不敏感温度传感探头;利用实验中发现的石英材料在高压下热膨胀系数增大的效应,优化了光纤F-P压力传感头的设计,将温度敏感性降到最小。并通过改变传感头的设计参数,制作出多种不同测量量程和测量灵敏度的温度和压力传感头,适用于低压测量的压力传感头和能够快速响应的振动测量传感头。 3、对非本征光纤法布里-珀罗传感器系统的工作特性进行了实验研究。利用该类传感器系统对20~200℃、100~300℃、0-300℃、20~450℃量程的温度传感头及0~14MPa、0~19MPa、0~30MPa等多种量程的压力传感头进行了实验标定和性能测试。对量程大于200℃的温度测量实验结果表明,传感器的温度分辨率好于0.06℃;满量程


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