光纤调频连续波干涉温度传感器光学系统的研制

论文摘要

本文基于调频连续波（Frequency modulated continuous wave,FMCW）激光干涉研制了一种非本征型光纤温度传感器。该温度传感器由光学系统、温度探头、信号采集与处理系统构成。其中,光学系统采用信号光与参考光同光路且温度探头易于制作的光纤式法布里-珀罗（Fabry-Perot,F-P）干涉仪。温度传感探头使用具有更高膨胀系数、化学性质稳定的不锈钢圆管作为F-P腔腔体,并使用光纤准直器实现光纤与F-P腔的耦合。利用调频连续波干涉测量技术解调F-P腔因热胀冷缩引起的腔长变化量,实现温度的传感。信号采集与处理系统以STM32F407芯片为核心,结合放大滤波电路实现DFB激光器驱动、信号采集与放大以及数字余弦信号的鉴相。实验表明,温度传感探头长度为200mm的光纤温度传感器,温度测量分辨率达到0.0002℃,温度测量灵敏度达到3.022μm/℃。光纤FMCW温度传感器具有很高的灵敏度与分辨率,然而FMCW激光干涉所得干涉信号为周期性余弦信号,只能实现温度相对量连续性测量。在非连续性测量过程中,当干涉余弦信号相位变化量超过一个周期,干涉级整周期数将无法得知。针对此问题,本文提出一种新型测量方法--双波长小数对比法。该方法使用两路不同中心波长FMCW干涉系统同时对F-P腔进行解调,利用两路干涉仪所测干涉级小数部分计算干涉级整周期数。基于双波长小数对比法的传感器不仅可以实现物理量非连续测量,而且可以保持单路FMCW干涉测量的精度,对FMCW干涉测量技术具有十分重要的意义。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外发展现状
•   1.3 课题研究的意义
•   1.4 研究内容
• 2 调频连续波干涉原理
•   2.1 光学调频连续波干涉
•     2.1.1 光学FMCW干涉测量原理
•     2.1.2 锯齿波光学FMCW干涉测量原理
•   2.2 光纤调频连续波干涉仪
•     2.2.1 激光光源与光电探测器
•     2.2.2 光纤与光纤器件
•     2.2.3 光纤FMCW干涉仪
• 3 单光源调频连续波光纤温度传感器
•   3.1 调频连续波光纤温度传感器测温原理
•   3.2 系统结构
•     3.2.1 测温探头
•     3.2.2 光学系统
•     3.2.3 电路系统
•   3.3 鉴相算法
•   3.4 上位机软件开发与算法仿真
•   3.5 实验测试与结果分析
•   3.6 小结
• 4 双波长调频连续波干涉测量原理
•   4.1 小数对比法
•     4.1.1 第一个合成波长内
•     4.1.2 同一合成波长内
•     4.1.3 任一起始位置
•   4.2 误差分析
•   4.3 计算机仿真验证
•     4.3.1 第一个合成波长内
•     4.3.2 同一合成波长内
•     4.3.3 任一起始位置
•   4.4 实验验证
•     4.4.1 同一合成波长内
•     4.4.2 任一起始位置
•   4.5 小结
• 5 双波长调频连续波光纤温度传感器
•   5.1 偏振式双波长调频连续波光纤温度传感器
•     5.1.1 保偏光纤与保偏光纤器件
•     5.1.2 光学系统
•     5.1.3 系统结构
•   5.2 空分式双波长调频连续波光纤温度传感器
•     5.2.1 光学系统
•     5.2.2 温度传感探头
•     5.2.3 系统结构
•   5.3 实验测试与结果分析
•   5.4 小结
• 6 结论
•   6.1 总结
•   6.2 论文创新点
•   6.3 论文不足与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王欢

导师: 郑刚

关键词: 调频连续波干涉,光纤温度传感器,光纤法布里珀罗干涉仪,小数对比法,双波长调频连续波干涉系统

来源: 西安工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 西安工业大学

分类号: TP212.11;TN253

DOI: 10.27391/d.cnki.gxagu.2019.000543

总页数: 88

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