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基于半导体激光器自混合干涉的光纤传感模型研究

穆佳丽  
【摘要】: 半导体激光器自混合干涉技术和光纤传感技术是现代光学测量领域中的先进技术,他们有其各自的优缺点。自混合干涉技术具有光路易准直、结构简单、测量范围大、精度高和价格低廉等优点,但信号弱,不易测量、实验条件要求高、抗干扰能力差。光纤传感技术具有抗干扰能力强、可绕曲、使用范围广、非侵入性和实现远程监控等优点,但是精度不高、结构复杂、信号后续处理复杂等。本文的新型光纤传感器就是将半导体激光器自混合干涉技术应用到光纤传感技术中,探索出一种新型的传感方法。 光纤传感器分为光纤部分和耦合部分,光纤部分采用几何光学的方法分析光路,耦合部分采用光传输散射矩阵方法分析传输信号的相位信息。对传感信号的探测,传统的探测方法是将传输信号的相位信息经过滤波、放大、A/D转换、电脑分析等过程得到测量信息,结构复杂且速度慢。本文引入自混合干涉技术,传输信号的相位信息经过滤波后采用电子信号检测的方法分析,或者将波形图像采集到电脑软件分析。探测过程简单、快速是这种新方法的显著优点。 自混合干涉效应的分析方法主要有两种,一种是严格求解Lang和Kobayashi建立的速率方程,得到输出光的频率和光强表达式。另一种是引入法-珀腔模型分析,利用激光谐振腔稳定条件计算有光反馈时的理论公式。本设计采用法-珀腔模型进行理论研究,它能够被直观理解,而且计算简单。本文利用这个模型已经推导出自混合干涉信号的输出相位、输出功率公式。 由于光纤传输的相位信息是光在外腔的往返时间的表现,而光往返时间与自混合干涉信号输出功率的拍波频率有确定的关系函数,所以光纤传输的相位信息与输出功率的拍波频率建立了关系式。而外部环境的变化(即待测物理量的变化)是导致光纤传输相位信息变化的直接因素,这样就间接建立了待测量物理量与自混合信号输出功率拍波频率的关系。通过测量输出功率拍波频率就可以测量待测物理量的信息,建立了将自混合干涉效应引入光纤传感的完整理论模型。 用MATLAB软件对上述理论进行仿真分析可以验证理论的正确性,仿真内容主要为设定几种特定情况的温度和压力变化过程,用MATLAB软件编程计算这些过程中自混合干涉信号输出功率拍波频率的变化情况。仿真结果表明,这种方法可以预测温度或压力的变化方向和变化的速度。通过模拟仿真温度、压力与输出功率的拍波频率关系,计算出这种方法的适用范围和测量精度,温度测量范围为-50℃到350℃之间,精度达到0.78°C/Hz,压力测量范围主要集中在104N量级,测量精度达到47.8N/Hz。用MATLAB仿真分析温度或压力变化的频谱图,频谱图由多频率的谱线簇组成,中心频率值与之前仿真值一致,能正确反映输出功率拍波频率。由仿真结果可以看到,本文新型传感方法理论的正确性,若能将这种方法应用到实际的传感中更具有以下优势:结构比传统的光纤传感器更简单,输出功率波形即反映测量值信息;测量精度更高,现在光纤温度传感器的测量精度都在10-1°C量级,本论文计算测量精度为10-2℃量级;使用范围更广,光纤温度传感器普遍的测量范围为0°C-100°C,本论文计算测量范围为-50℃-350°C,大大提高了温度的测量范围;而且结构的简化使得总体成本更加低廉。


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