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光纤声传感探头与解调系统分析

章双喜  
【摘要】: 21世纪是信息时代,科技飞速发展。对声场信息的传感探测在国防和国民经济建设等领域具有重大意义。光纤声传感具有灵敏度高,动态范围大,检测频带宽而备受世界各国关注和研究。 本文基于实验室已经取得的研究成果,对光纤声传感探头和系统部分进行有限元模拟和理论分析,提出光纤探头存在的问题和解决方案,改进解调系统中一些问题的处理手段。本文的主要内容包括: 首先:在查阅大量资料的基础上介绍光纤传感尤其是声传感的发展历史和国内外研究动态。阐述光纤相位调制机理,结合迈克尔逊型干涉结构探讨光纤声传感的基本思想和原理。 其次:介绍有限元分析思想和模拟软件ANSYS的使用。分别对平面式和芯轴式两种结构探头进行力学分析和有限元静力学模拟。探讨理论分析结果和静力学模拟得到的位移等值图,提出两种结构光纤探头各自的优点和缺点以及需要改进和优化的方向。理论推导强度反射式光纤传感中弹性膜片的一阶固有频率,验证有限元模态分析得出的各阶固有频率和理论结果的一致性。对平面式和芯轴式探头的弹性层和光纤层分别进行模态分析,对比分析模拟得到的不同结构光纤探头固有频率和变化规律,解释芯轴式探头和平面式探头频响曲线的差异。 再次:描述光纤声传感解调系统中相位载波零差解调法的基本原理和过程,理论分析相位载波解调方法中载波幅值的选取过程和选取基理,提出通过频谱仪观察载波和其谐波高度差来确定载波幅值的新方法,并通过实验从侧面验证方法的可行性。 此外:理论分析光纤的非线性特性并进行软件模拟。将光纤非线性特性与光纤声传感系统结合起来,将光纤非线性效应应用于光纤传感相位控制技术中,将高灵敏性的光纤传感相位检测应用于光纤非线性系数测量技术中。 最后:对前几段关于光纤声传感系统的研究结果进行总结,同时提出光纤声传感系统研究的复杂性和目前仍然存在的大量问题以及未来的发展趋势。


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