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分布式光纤传感系统的低相干复用研究

管祖光  
【摘要】:作为获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段,传感器技术与信息时代人们的生活息息相关。光纤传感器是传感器技术的一个重要分支,因其独特的优点而受到科学研究的广泛关注。相比其他传感器技术,光纤传感器最主要的优势在于多个传感节点可通过光纤连接组成传感网络并实现分布式传感。作为光纤传感网络和分布式光纤传感系统的核心技术,实现多路传感信号的复用和解复用是相关研究的重点和热点。本论文工作主要采用一种低相干复用技术,并对多种新型的光纤传感器,及其分布式传感的方案进行了深入的理论和实验研究。 本文首先在第2章中对几类基于结构化光纤光栅的光纤内干涉仪进行了分析。这些光纤光栅干涉仪除了具有光纤光栅灵敏的传感性能,其干涉仪的特征使其传感信号能被低相干复用技术解调。文中还详细介绍了一套结构化光纤光栅的制作系统,该系统系自行研制,通过对多种仪器设备的编程控制,可实现自动制作各类光纤光栅干涉仪的功能。 作为领域内的突破,多个长周期光纤光栅(LPG)传感器,通过构建光纤内马赫-泽得干涉仪,首次实现了传感信号的复用,这部分内容在第3章中进行了理论论述和实验验证。考虑到LPG对外界折射率的敏感性,我们还对一种为生化探针设计的LPG迈克耳逊干涉仪及其复用方案进行了实验探索。 第4章介绍了基于光纤布拉格光栅(FBG)的法布里-泊罗干涉仪的低相干复用方案。除了采用完全一致的光栅,节约制作成本,该方案另一个特点是引入了斜边检测的原理。使用催化剂将甲烷浓度转化为温度信息,这种高灵敏度小量程的斜边检测方式非常适用于甲烷浓度的检测。由于FBG也对温度和应力等物理量敏感,本论文首次提出了一套可同时检测煤矿井下多个物理量的安全监控系统,并进行了实验验证。 腔内吸收式传感器和法拉第旋光传感器在业界应用广泛,很多场合需要多点分布式检测。本文在第5章中讨论了通过构建附加的光纤干涉仪器件,利用低相干复用技术实现对其多路传感信号的解调。相比其他复用系统,本文提出的方案无需对上述两种传统的传感器进行结构修改,具有很强的兼容性。 最后,本文提出了一种新型低相干光频域反射计。相比常规的光频域反射计,该反射计的最大测量距离不受光源干涉长度的限制,其快速电子扫描的特点可以弥补在第3至5章中使用的低相干反射计机械扫描的缺点,因此作为本论文的有机组成部分在第6章中进行了论述。 第7章中对全文进行了总结和归纳,并对下一步的研究工作进行了展望。


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