论文题目: 光纤微弯传感器及反射式强度调制光纤传感器研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 物理电子学
作者: 李学金
导师: 姚建铨
关键词: 光纤传感器,光纤微弯传感器,弯曲损耗,微弯损耗,位移,应变,分布式,线性补偿,压力传感器,差动式
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 随着光纤通信技术的迅速发展和光纤材料的研究与应用,光纤传感技术也得以快速发展。光纤传感器与传统的各类传感器相比,具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、防暴、结构简单、体积小,重量轻和对被测对象的最低限度的侵入性等一系列独特的优点。本文就光纤弯曲损耗的光线理论、光纤微弯应变传感器、光纤微弯位移传感器、差动式光纤微弯传感器、反射式光纤位移传感器的线性处理和单光纤结构的光纤压力传感器进行了研究,主要内容和创新之处有:1.论文提出了一种新的光纤弯曲损耗的光线理论。第一,给出了梯度光纤弯曲时折射率分布函数方程;第二,推导出了光纤正弦弯曲时光纤各点的曲率半径方程;第三,通过建立物理模型,利用折射率分布函数,用微分法数值求解了光纤中的光线轨迹。第四,根据光纤中的光线轨迹,分析和解释了光纤弯曲损耗的一些现象(主要相关章节为第二章:2.2.2.1～2.2.2.5节)。2.设计了一种差动式光纤微弯式传感器(已申请发明专利,申请号为:200510035613.X)。在传感器中,两根光纤分别被置于两个变形器当中,测量时始终是一根光纤弯曲程度加剧,光功率损耗增加,另一根光纤的弯曲程度减弱,光功率损耗减小,构成差动式结构。该传感器不仅可以用于测量力、位移、应力、应变和加速度等参量的大小,还可以判断参量的方向。同时也可以用于非方向矢量如液位和温度的测量等(主要相关章节为第四章:4.3节)。3.研究了单模光纤、多模光纤和变形齿结构参数对光纤微弯传感器位移特性的影响(主要相关章节为第三章:3.3～3.4节)。4.设计了三种拱形结构的光纤微弯应变传感器,并对其特性进行了比较研究(主要相关章节为第四章:4.2节)。5.利用OTDR技术和光纤微弯传感器分别构成并测试了分布式位移传感器系统和应变传感系统(主要相关章节为第五章:5.4～5.5节)。6.研究了两种光纤位移传感器的线性补偿方法。一种线性补偿是利用随机型和半圆型光纤位移传感器的特性曲线中峰值位置不同,分别选用半圆型光纤位移传感器的前坡和随机型光纤位移传感器的后坡用于测量,通过电路对两路信号处里的方式实现。另外一种方法是对上述两种光纤位移传感器的信号进行除法运算来线性补偿(主要相关章节为第六章)。
论文目录:
摘要
Abstract
第一章 概述
1.1 光纤
1.1.1 光纤的结构与种类
1.1.2 光纤的损耗
1.2 光纤传感器
1.2.1 光纤传感器的原理
1.2.2 光纤传感器的特点
1.3 光纤传感器的应用
1.4 光纤传感器技术的发展概况与趋势
1.5 几种常见的力学量光纤传感器
1.5.1 反射式光纤位移传感器
1.5.2 透射式光纤传感器
1.5.3 光纤微弯传感器
1.5.4 相位调制型光纤传感器
1.5.5 光纤光栅传感器
1.6 本文研究的主要内容
第二章 光纤弯曲损耗理论
2.1 引言
2.2 光纤的光线理论
2.2.1 均匀折射率光纤的光线理论
2.2.2 变折射率光纤的光线理论
2.2.2.1 光线方程
2.2.2.2 微分法数值求解光纤中的光线轨迹
2.2.2.3 光纤弯曲时的曲率半径分析
2.2.2.4 渐变型光纤弯曲对其折射率的影响
2.2.2.5 光纤弯曲时的光线轨迹与损耗分析
2.3 光线弯曲损耗的模式理论
2.3.1 模式耦理论
2.3.2 单模光纤的损耗理论
2.3.3 其他有效分析方法
2.4 结论
第三章 光纤微弯传感器结构参数设计与位移特性测试
3.1 引言
3.2 光纤微弯传感器的历史回顾
3.3 光纤微弯传感器变形齿的结构参数设计
3.3.1 变形齿的设计
3.3.2 变形齿的齿间距设计与器件制作
3.4 光纤微弯传感器的位移特性测试
3.4.1 齿间距对传感器特性的影响
3.4.2 光纤参数对传感器特性的影响
3.5 结论
第四章 光纤微弯应变传感器与差动式光纤微弯传感器
4.1 引言
4.2 光纤微弯应变传感器
4.2.1 微弯传感器测量应力应变的工作原理
4.2.2 光纤微弯应变传感器的设计
4.2.3 传感器测试系统
4.2.4 光纤微弯应变传感器的特性及结构参数对其特性的影响
4.3 差动式光纤微弯传感器
4.3.1 差动式光纤微弯位移传感器
4.3.2 差动式光纤微弯应变传感器
4.4 结论
第五章 分布式光纤微弯传感器测量系统
5.1 引言
5.2 OTDR 的工作原理
5.3 基于OTDR 的分布式光纤传感器及其特点
5.4 分布式位移测量
5.4.1 单点测量
5.4.2 多点测量
5.5 分布式应变测量
5.6 结论
第六章 反射式光纤位移传感器的线性补偿
6.1 引言
6.2 反射式光纤位移传感器的工作原理
6.3 线性补偿的原理
6.4 传感器线性补偿的电路设计
6.5 传感器线性补偿的信号运算法
6.6 结论
第七章 基于反射式强度调制的光纤压力传感器的理论计算
7.1 引言
7.2 光纤束结构的光纤压力传感器
7.3 单光纤结构的光纤压力传感器
7.3.1 基本工作原理
7.3.2 传感器的特性计算
7.4 结论
参考文献
总结
攻读博士学位期间完成的论文和参与的科研课题
致谢
发布时间: 2006-05-24
参考文献
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