光纤加速度传感器系统的研究和应用

论文摘要

在石油、矿产等物探领域,随着浅层能源的不断开采,越来越需要勘探深层能源,而传统的检波器已经不能适应生产和勘探的需要。另外,在现有的煤矿、铁矿等开采的过程中,随着开采深度的不端增加,微地震越来越多,尤其是煤矿的挖掘过程中微震会伴随着瓦斯突出,给安全生产带来极大的隐患。光纤传感因其具有体积小、精度高、重量轻、传输距离远、抗电磁干扰、易于复用等特点,已经被广泛的应用于检测温度、压力、应变等物理量。光纤加速度传感器由于其具有很高的灵敏度,可以用来检测微弱的振动信号,除了可以应用于物探、矿产生产等方面,在航天航空、机械振动、船舶、导弹制导等方面也有不少的研究。本文介绍了光纤传感的基本概念,理论分析了光纤加速度传感器的传感原理,设计了一种高灵敏度的光纤光栅加速度传感器,检测并得出了传感器的频率特性。解调技术是光纤加速度检测中关键部分之一,好的解调技术能大大提高系统的性能,本文设计了一种高灵敏度的加速度传感器,设计了两种解调方案,详细介绍了基于DFB窄频激光器、光纤过耦合器等解调技术的原理和解调方案。根据实验设计了光电转换电路、信号调理电路、光源驱动电路、单片机电路等,用labview做了信号采集和处理,使试验更具有操作性和灵活性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题的目的和意义
• 1.2 前人在本课题研究领域的成果简介
• 1.3 研究的主要内容和方法
• 1.4 预期达到的目的和应用前景
• 第二章 光纤传感原理
• 2.1 光纤传感器的定义及分类
• 2.2 光纤传感器的特点
• 2.3 光纤传感技术的研究进展和应用前景
• 2.4 光纤光栅的传感原理
• 2.5 本章小结
• 第三章 光纤传感器的设计
• 3.1 加速度检测模型
• 3.2 光纤光栅高灵敏度加速度传感器的设计
• 3.3 光纤光栅的粘结工艺
• 3.4 本章小结
• 第四章 光纤光栅解调技术简介
• 4.1 边沿滤波器法
• 4.2 可调光纤F-P腔滤波器
• 4.3 非平衡Mach-Zehnder干涉法
• 4.4 基于红外CCD的光纤光栅传感解调系统
• 4.5 本章小结
• 第五章 光纤加速度检测系统的研制
• 5.1 用窄带DFB激光器解调光纤加速度传感器
• 5.1.1 原理概述
• 5.1.2 传感器设计
• 5.1.3 解调系统设计
• 5.2 DFB激光器的性能指标及其驱动控制
• 5.2.1 DFB激光器的主要指标
• 5.2.2 热电制冷器的驱动方法
• 5.2.3 自动温控电路
• 5.2.4 高频噪声抑制及电路布线注意事项
• 5.2.5 测试结果
• 5.3 光电探测器及光电转换电路
• 5.3.1 光电探测器及其性能参数
• 5.3.2 光电转换电路的设计
• 5.4 除法电路的设计
• 5.4.1 AD734的基本结构及功能
• 5.4.2 除法电路的设计
• 5.5 滤波电路的设计
• 5.5.1 低通滤波器的设计
• 5.5.2 带通滤波器的设计
• 5.6 单片机电路的设计
• 5.6.1 C8051F41x单片机简介
• 5.6.2 A/D采样的设计
• 5.6.3 D/A输出的设计
• 5.6.4 程序流程图
• 5.7 高性能数据采集卡的选型
• 5.8 上位机软件
• 5.9 实验数据
• 5.9.1 振动测试平台简介
• 5.9.2 实验与数据
• 5.10 样机的设计
• 5.11 工程应用
• 5.11.1 传感器的安装
• 5.11.2 光缆敷设
• 5.11.3 接收到的信号
• 5.12 本章小结
• 第六章 基于光纤过耦合器的光纤光栅加速度解调系统
• 6.1 熔融拉锥过耦合器的特性
• 6.2 实验与结果
• 6.2.1 检测方案
• 6.2.2 实验与数据
• 6.3 本章小结
• 第七章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表