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反射式强度型光纤传感器强度调制特性的数学模型与关键技术的研究

杨华勇  
【摘要】: 作为光纤传感领域中重要的一族,反射式强度型光纤传感器(简称RIM-FOS)以其结构简单、性能可靠、设计灵活、价格低廉等优点引起了广泛关注。本文在反射光的分布、RIM-FOS的数学模型、强度补偿的理论与方法、传感器特性的仿真与测试、以及可用于传感器辅助设计和制作的计算机仿真测试系统等诸多方面进行了较为系统深入的研究。论文的主要研究内容包括: 1.参考几何法建立的光纤对光强调制函数,首次引入反射面的倾斜因子以及形状因子,建立了相应的数学模型。然后,采用数值仿真的方法系统地研究了多模光纤参数(包括光纤对轴间距、光纤芯径和光纤数值孔径)、反射面倾斜因子以及形状因子对RIM-FOS强度调制特性的影响规律。 2.引入了Beckmann关于随机粗糙表面光散射理论的相关研究结论,基于衍射分析法建立了准高斯光经过反射面后的反射光分布模型。 3.根据所得到的准高斯反射光分布模型,建立了通用的三光纤传感器的强度调制函数。同时,采用“改进的平均间距法”建立了随机型光纤束的数学模型。此外,还对同轴型、双束型、双圈型和同轴随机型光纤束的调制函数进行了详细地推导,得到了具有系统性和关联性的光纤束强度调制函数。然后,仿真比较了各种结构的RIM-FOS的理论特性。 4.用能量流分析法推导了用分光镜分光进行强度补偿的分光比计算公式,详细讨论了入射光的强度不变而偏振方向变化以及二者同时变化对分光比的影响。采用模拟实验验证了分光镜分光中出现反向涨落的现象,提出了具体的解决办法。 5.提出了一种带随机型分光端的“Π”型光纤束分光补偿结构,并与分光镜分光补偿的强度补偿效果进行了实验比较。同时,首次从纯数学的角度分析了光束方向漂移对中孔光电池、半圆光电池以及“Π”型光纤束分光补偿精度的影响。此外,还提出并实验研究了“Π型光纤束分光+神经网络”的强度补偿法。 6.提出了用计算机仿真测试系统辅助RIM-FOS设计及制造的思想,并首次提出了RIM-FOS的最佳设计制作流程。 7.综合采用了一些关键技术,首次设计了一套能够完成RIM-FOS特性仿真和特性测试的计算机仿真测试系统。同时,还提出了归一化特性曲线的参数化描述方法。 8.设计若干典型实验检验了仿真测试系统的性能。结果表明,该系统不但可完成RIM-FOS特性仿真和特性测试功能,而且还可以开机即测且不受环境光干扰和光源功率波动的影响,测试稳定性好,重复性较高。


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