光纤CRDS多参量传感系统的研制及应用

摘要

本文介绍了腔衰荡光谱技术的发展历程、特点和意义，以及在光谱吸收测量和传感检测方面的优越性能；概述了腔衰荡光谱技术的基本原理；分别从光源和衰荡腔结构两个方面对腔衰荡光谱技术进行了详细的分类比较，阐述了多种基于CRDS技术的系统构成、应用概况和今后的发展设想。本文的主要研究工作和成果如下：
　　 1、系统阐述了腔衰荡光谱技术的技术原理和系统构成，从技术角度分析了光源、增益控制模块、耦合器及光电探测器等组成系统结构的技术指标对传感测量精度的影响；定量研究了衰荡时间与腔内样品和传感单元吸收损耗之间的关系，对几种基于光纤环CRDS的传感系统进行了细致的分析总结，并指出了各自的优缺点。
　　 2、利用高频二氧化碳(CO2)激光器在普通单模光纤上刻蚀类高斯形光纤微腔，首次将其作为一种全新的传感单元引入自行设计的1060nm光纤环腔衰荡传感系统中，对温度和应力双参量传感进行了实验测量。在此基础上，设计并实现了温度、应力和折射率三参量同时传感的实验测量。
　　 3、提出并研制出一种基于光纤CRDS技术的微腔温度传感系统。该系统将高频CO2激光器写制的光纤微腔作为温度传感单元接入其中，通过测量不同温度条件下的衰荡时间，实现了对外界温度的高灵敏度传感测量。在此基础之上，对不同深度的光纤微腔分别进行了温度传感实验，初步建立了光腔深度与传感灵敏度之间的对应关系。
　　 4、在分析光时分复用(OTDM)的技术原理和系统主要构成方式的基础上，提出了多参量CRDS传感系统的设计构想，在不同的光纤衰荡腔中引入相位调制项，使得不同参数的传感结果在时间上依次顺序输出，实现了多参量同时传感检测。
　　 5、将模块化方法引入信号解调系统设计之中，给出了包络检波和峰值保持电路的具体设计方案，成功实现了对CRDS传感输出信号的峰值采集和包络解调。通过对单片机A/D转换模块的编程设计和最小二乘数据拟合算法的C语言编写，实现了硬件模块与软件数据处理的有机结合。