微光纤法珀应变与折射率传感器研究

论文摘要

光纤法珀传感器作为光纤传感器中极为重要的一类受到科研工作人员的青睐。相对于其它光纤传感器而言,光纤法珀传感器在分辨率、精度、动态范围以及实现方式等方面优势明显,是发展最为成熟、应用最为广泛的光纤传感器之一,目前在应变、折射率等的测量中已展开了广泛的研究和应用。本文对光纤法珀传感器的原理、分类、解调方法和光纤法珀传感器在折射率测量中的应用及光纤法珀传感器的复用原理做了详细的阐述。本课题拟在法珀传感器的解调精度和复用能力上探索更高性能的解调算法,为实现法珀传感器的规模应用奠定基础。本文主要工作和成果如下:1.在单个传感器的解调上,引入并分析了频率校正法、CZT和ARMA谐波恢复法在光纤法珀传感器解调中的应用,将它们与FFT在各种性能上作了比较。频率校正法直接以FFT为基础,因此计算简单,但它也保留了FFT的不足之处,存在着较大的误差。ARMA谐波恢复法的解调结果准确度高,效果稳定,但计算稍显复杂。CZT不仅解调效果好,而且计算量也较补零的FFT方法小,是很好的法珀解调方法。在微应变的解调上,CZT的解调结果的线性度为0.9994。2.在折射率的测量上,分析了157nm激光制作的光纤法珀折射率传感器的传感特性,该传感器具有结构简单,使用方便的优点。采用干涉条纹计数的方法对法珀腔的反射光谱进行解调,避免了光强波动的影响,同时具有较宽的折射率（RI）范围。在0-70oC范围内25um的法珀腔腔长变化量为6.25nm,等效的折射率变化为2.46×10-4。常温下对折射率范围为1.33—1.427的甘油溶液进行了测量,实验结果曲线的线性度为0.9951,测量精度为3.70×10-4。3.在法珀腔的复用上,分析了各种并行法珀腔的频分复用解调算法。计算了傅里叶变换解调算法的频率分辨率与光源中心波长和带宽的关系。分别比较了CZT与CZT-MUSIC、Root-MUSIC、AR并行频率解调方法的性能。其中还分析了CZT-MUSIC中自相关函数和自相关矩阵对解调效果的影响,结果显示采用渐进无偏的自相关函数及较大的自相关矩阵能得到较好的效果,解调效果也更稳定。此外还从多个方面比较了CZT-MUSIC、Root-MUSIC、AR之间的性能,其中Root-MUSIC具有0.78%的最小串扰率。最后采用LabVIEW编写了准动态应变并行频分复用解调程序。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤应变和折射率传感器
• 1.2.1 光纤布拉格光栅（FBG）传感器
• 1.2.2 光纤法珀传感器
• 1.3 光纤法珀传感器国内外研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 光纤法珀传感器的原理
• 2.1 基本原理
• 2.2 光纤法珀传感器的分类
• 2.2.1 本征型光纤法珀传感器
• 2.2.2 非本征型光纤法珀传感器
• 2.2.3 线型复合腔光纤法珀传感器
• 2.3 光纤法珀传感器的信号解调原理
• 2.3.1 强度解调
• 2.3.2 相位解调
• 2.4 小结
• 第三章 频率解调算法的改进
• 3.1 DFT 解调算法的改进
• 3.1.1 基于FFT 相位差的频率校正方法
• 3.1.2 基于调频Z 变换的解调方法
• 3.2 基于ARMA 谐波恢复的解调方法
• 3.3 微应变测试
• 3.4 小结
• 第四章 微光纤法珀折射率传感器
• 4.1 光纤表面等离子体共振（SPR）折射率传感器
• 4.2 光纤光栅型折射率传感器
• 4.2.1 FBG 折射率传感原理
• 4.2.2 LPG 折射率传感原理
• 4.3 光纤法珀折射率传感器
• 4.4 157nm 准分子激光微加工技术
• 4.5 微光纤法珀传感器的折射率测量
• 4.6 小结
• 第五章 光纤法珀传感器的复用技术
• 5.1 光纤法珀传感器的复用
• 5.2 频分复用的性能分析
• 5.3 频分复用的现代谱估计解调
• 5.3.1 调频Z 变换多重信号分类（CZT-MUSIC）
• 5.3.2 法珀腔并行复用CZT-MUSIC 解调实验
• 5.3.3 求根MUSIC（Root-MUSIC）方法
• 5.3.4 法珀腔并行复用求根MUSIC 解调实验
• 5.3.5 基于AR 模型的功率谱估计
• 5.3.6 法珀腔并行复用AR 解调实验
• 5.3.7 CZT-MUSIC、Root-MUSIC、AR 之间的比较
• 5.4 准动态频分复用解调 LabVIEW 软件
• 5.4.1 LabVIEW 虚拟仪器
• 5.4.2 解调软件
• 5.5 小结
• 第六章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果