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基于紧凑型光程扫描器光纤传感解调系统的研究

李政颖  
【摘要】: 随着光纤通信技术的发展,光纤传感器以其体积小、不受电磁干扰、绝缘性能高、防爆性能好、耐腐蚀等优点,在石油石化、土木工程、航空航天、电力、医疗、船舶工业等领域而得到日益广泛的应用,成为传感领域内发展较快的技术之一。其中,光纤法布里-珀罗传感器和光纤布喇格光栅传感器是光纤传感器的典型代表,两者各有所长,均得到了广泛的应用。本文在对光纤法布里-珀罗传感器和光纤布喇格光栅传感器的工作原理及其现有解调技术深入研究的基础上,从白光干涉解调系统出发,提出一种新颖的光学设备——紧凑型光程扫描器,并基于这种光学设备组建两种传感器的解调系统。跟其它同种功能的解调装置相比,本文提出的紧凑型光程扫描器采用非机械式扫描方式,便于光纤接入,且具有价格便宜、体积小、结构简单等优点。 全文主要的研究工作如下: 1)提出了紧凑型光程扫描器(Compact optical path scanner, COPS)的设计方法。传统的光程扫描器一般都是通过机械方式实现的,其光路结构较为复杂、体积大,且价格昂贵。而本文提出的COPS,是通过改变液体温度来实现的,液体的体积随温度变化是线性的、非机械的,而且这种COPS体积小、结构简单、抗干扰能力强。 2)搭建了CO2激光焊接装置。对于光纤和石英管的固定,常用的方法是用胶体将两者粘合在一起,然而胶体的热膨胀系数等物理特性和石英有很大的区别,因此,难以保证粘合后器件长期工作的稳定性。本文设计出一套焊接装置能够用CO2激光器将光纤和石英管很好的焊接在一起,石英管和光纤是同种材质,它们的各项物理特性都相同,因此能够大大提高COPS的稳定性。并且,这种焊接工艺还能够应用于光纤F-P传感器的制作,也能够大大提高F-P传感器的稳定性和可重复性。 3)构建了基于COPS的白光干涉解调系统。将COPS用于白光干涉解调系统,并将该解调系统用于温度和应变解调。根据本研究的实验结果说明该系统在传感探头的光程差从410-460μm,共50μm范围内变化时,COPS-WLI解调系统的测量精度约为15 nm,分辨率约为8 nm,动态范围高达35 dB。 4)构建了基于COPS的光纤布喇格光栅波长解调系统。将COPS用于光纤布喇格光栅波长解调,通过分析反射光谱的频率来得到光纤布喇格光栅的反射波长信息。根据本研究的实验结果说明,该系统的分辨率约为35 pm。


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