基于菲索干涉仪解调的光纤法珀加速度传感器及信号解调方法研究

摘要

光纤法珀加速度传感器具有精度高、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰和传输频带宽等优点，在振动测试、地震波监测、航空航天等领域具有良好的应用前景。但是直到目前，还没有产品化的光纤法珀加速度传感器和成熟的光纤法珀加速度传感器信号解调方案。
　　 本文基于惯性质量引起法珀腔腔长的变化实现加速度传感的原理设计了一种光纤法珀加速度传感器，提出了基于菲索干涉仪解调光纤法珀加速度传感器的原理及系统。针对提出和设计的基于菲索干涉仪的光纤法珀加速度传感器解调系统，建立了菲索干涉仪的输出相对光强与光纤法珀加速度传感器的法珀腔腔长和菲索干涉仪的厚度之间的关系模型，进一步建立了基于菲索干涉仪的光纤法珀加速度传感器系统的加速度解调理论模型。在此基础上建立了基于菲索干涉仪解调并联复用光纤法珀加速度传感器系统的解调理论模型，并对菲索干涉仪解调多通道光纤法珀加速度传感器的复用能力进行了分析。为了验证菲索干涉仪解调光纤法珀加速度传感器及其并联复用系统的可行性，本文对菲索干涉仪解调光纤法珀加速度传感器及其并联复用系统信号的原理进行了数值仿真，研究结果表明数值仿真结果和理论分析相吻合，菲索干涉仪解调光纤法珀加速度传感器及其并联复用系统具有可行性。
　　 本文的主要研究工作和成果包括：
　　 1.本文基于惯性质量引起法珀腔腔长的变化实现加速度传感的原理设计了一种光纤法珀加速度传感器，并对构成光纤法珀加速度传感器的光路和膜片式敏感单元进行了分析。分析表明，光纤法珀加速度传感器采用光纤准直器和平面反射镜构成的法珀干涉仪作为换能单元具有结构简单、光路对准容易的优点，另外可以减少光纤出光角所引起的法珀腔边缘光能损失；膜片式敏感元的高共振频率和高相位灵敏度是相矛盾的，所以在设计中应根据使用要求，作适当折衷，确定合适的共振频率和相位灵敏度。
　　 2.提出了基于菲索干涉仪解调单轴光纤法珀加速度传感器的原理及系统。针对提出和设计的基于菲索干涉仪的光纤法珀加速度传感器解调系统，建立了菲索干涉仪的输出相对光强与单轴光纤法珀加速度传感器的法珀腔腔长和菲索干涉仪的厚度之间的关系模型，进一步建立了基于菲索干涉仪的单轴光纤法珀加速度传感器系统的加速度解调理论模型。在此基础上对菲索干涉仪解调单轴光纤法珀加速度传感器信号的原理进行了仿真。研究结果表明，仿真结果和理论分析相吻合，菲索干涉仪解调单轴光纤法珀加速度传感器系统具有可行性。
　　 3.在对基于菲索干涉仪解调单轴光纤法珀加速度传感器的原理及系统理论分析的基础上，本文提出了基于菲索干涉仪的并联复用光纤法珀加速度传感器的解调原理及系统。针对我们提出和设计的基于菲索干涉仪的光纤法珀加速度传感器并联复用系统，建立了菲索干涉仪的输出相对光强与并联复用的光纤法珀加速度传感器的法珀腔腔长和菲索干涉仪的厚度之间的关系模型，进一步建立了基于菲索干涉仪的多通道并联复用光纤法珀加速度传感器系统的加速度传感理论模型。在此基础上对菲索干涉仪解调并联复用光纤法珀加速度传感器信号的原理进行了数值仿真，并对基于菲索干涉仪解调的多通道光纤法珀加速度传感器并联复用能力进行了分析。研究结果表明，数值仿真结果和理论分析相吻合，菲索干涉仪解调多通道光纤法珀加速度传感器并联复用系统具有可行性。
　　 4.针对提出和设计的基于菲索干涉仪的光纤法珀加速度传感器及其并联复用系统的信号解调系统，建立了菲索干涉仪解调光纤法珀加速度传感器及其并联复用系统的实物实验方案，并搭建了初步的实验系统，为后续实验验证奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2光纤传感技术的研究进展和应用前景

1.3光纤加速度传感器的研究现状

1.3.1强度调制型

1.3.2相位调制型

1.3.3波长调制型

1.3.4偏振态调制型

1.3.5模式调制型

1.4光纤法珀传感器解调技术的研究现状

1.4.1强度解调法

1.4.2相位解调法

1.5本文研究的目的、内容和研究意义

2光纤法珀加速度传感器的原理和结构设计

2.1引言

2.2光纤法珀加速度传感器的原理与结构

2.3光纤法珀加速度传感器的设计

2.3.1光纤法珀加速度传感器的光路设计

2.3.2光纤法珀加速度传感器敏感元的结构设计

2.3.3光路对准调节结构及传感器的外壳设计

2.4光纤法珀加速度传感器的理论模型

2.4.1光纤法珀传感器的理论模型

2.4.2加速度传感器的理论模型

2.5本章小结

3光纤法珀加速度传感器信号解调方法的研究

3.1引言

3.2菲索干涉仪解调单轴光纤法珀加速度传感器的原理

3.2.1系统工作原理

3.2.2解调原理

3.3基于菲索干涉仪解调并联复用光纤法珀加速度传感器的研究

3.3.1系统工作原理

3.3.2解调原理

3.4菲索干涉仪解调并联复用光纤法珀加速度传感器的能力

3.4.1系统所允许的最小腔长差

3.4.2单个传感器的腔长变化范围

3.4.3菲索干涉仪最大厚度

3.5本章小结

4光纤法珀加速度传感器信号解调的数值仿真与讨论

4.1引言

4.2菲索干涉仪解调单轴光纤法珀加速度传感器的数值仿真

4.2.1脉冲振动激励

4.2.2阶跃振动激励

4.2.3正弦振动激励

4.3菲索干涉仪解调并联复用光纤法珀加速度传感器的数值仿真

4.3.1振动激励初相位不同

4.3.2振动激励频率不同

4.3.3振动激励振幅不同

4.4本章小结

5实验方案

5.1实验目的

5.2实验内容

5.3实验器材

5.4实验装置

5.5实验步骤

5.6解调暗盒光路验证实验

5.7本章小结

6全文总结及展望

6.1本文主要研究工作

6.2论文工作的主要创新点及贡献

6.3后续研究工作展望

致 谢

参考文献

附 录