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光纤法珀传感器在冰冻及冻土监测中的应用研究

作　者: 陈计信
导　师: 饶云江
学　校: 重庆大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤法珀传感器 动态应变 冻胀 增敏封装 光电检测
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


中国冰冻和冻土灾害严重,对冰冻及冻土采取有效的长期监测,为应对潜在的灾害提供参考信息具有十分重要的意义。光纤法珀传感器具有质轻径细、无源、电绝缘、抗电磁干扰、信号衰减小的优点。基于光子晶体光纤法珀的冰冻及冻土监测方法比起传统的监测手段具有可靠性高、抗干扰能力强、对供电要求不高的优点。本课题在前人的研究基础上,使用实验室在国际上首次报道的空芯光子晶体光纤法珀作为应变传感器对冰冻及冻土的冻融过程中应变变化进行研究,结果表明冰冻和冻土在冻胀和融沉过程中伴随着复杂的应变变化。因此,通过检测内部应变的变化可以判断冰冻冻土的冻融状况。同时设计制作了空芯光子晶体光纤法珀的温度增敏封装,由于封装后温度灵敏度很高,可以用于地温监测。对冰冻及冻土区应变和地温的同时监测可以有效的提高系统对冻融变化状况判断的可靠性。本文的主要工作包括:1、首次提出了使用光纤法珀干涉式传感器,通过检测冰冻冻土内部的应变变化,判断冰冻及冻土内部冻融状况的检测方法。2、为了对冰冻及冻土内部的应变和温度同时测量的目的,综合两种测量参量提高监测系统对监测区的冻融状况判断的可靠性,设计了具有很高温度灵敏度的光子晶体光纤法珀温度增敏封装。3、对光子晶体光纤法珀干涉传感器的温度不敏感特性提出了解释,通过实验论证了光子晶体光纤法珀作为动态应变传感器具有灵敏度高,输出信号质量好、抗干扰能力强的优点。提出了光纤法珀传感器工作点自校准的实现方法。通过数据分析了各种相位解调算法的优缺点以及适用的场合。4、为了促进光纤传感器在冰冻及冻土监测中的应用,对光纤法珀冰冻及冻土监测系统进行了仪器化研究,对系统所涉及的算法,光路,电路,软件进行了研究与开发,初步具有工作能力。

全文目录


中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-22
  1.1 光纤传感器技术概述  8
  1.2 光纤传感器的种类  8-16
    1.2.1 光纤光栅传感器  9-11
    1.2.2 光纤Michelson 干涉仪  11
    1.2.3 光纤Mach-Zehnder 干涉仪  11-12
    1.2.4 光纤法珀干涉传感器  12-16
  1.3 课题的研究背景及意义  16-19
  1.4 本课题研究内容  19-22
2 空芯光子晶体光纤法珀特性及检测方法分析  22-40
  2.1 光子晶体光纤简介  22-23
  2.2 空芯光子晶体光纤法珀传感器  23-24
  2.3 空芯光子晶体光纤法珀传感器温度特性分析  24-26
  2.4 空芯光子晶体光纤法珀传感器检测方法分析  26-39
    2.4.1 强度检测方法及其自校准方法  26-33
    2.4.2 相位检测方法及分析  33-39
  2.5 本章小结  39-40
3 光纤法珀传感器冰冻及冻土检测实验  40-52
  3.1 冰冻检测原理分析  40-42
  3.2 空心光子晶体光纤法珀冰冻检测实验  42-46
  3.3 冻土检测方法分析  46-47
  3.4 空芯光子晶体光纤法珀冻土检测实验  47-50
  3.5 本章小结  50-52
4 冰冻冻土的辅助监测  52-60
  4.1 冰冻冻土地温辅助监测方法  52
  4.2 光纤布拉格光栅冰冻检测实验  52-54
  4.3 空芯光子晶体光纤法珀温度增敏封装研究  54-58
  4.4 应变温度同时测量方法  58
  4.5 本章小结  58-60
5 冰冻及冻土监测系统设计  60-80
  5.1 常用的光纤法珀传感器信号监测系统架构  60-61
  5.2 光纤法珀冰冻及冻土监测系统的设计  61-62
  5.3 监测系统中的关键器件及其特性  62-64
    5.3.1 宽带光源的选取  62
    5.3.2 可调法珀滤波器的特性  62-64
  5.4 光电检测模块电路设计  64-67
  5.5 低通滤波器模块电路设计  67-68
  5.6 数字信号处理器的选择  68-75
    5.6.1 DSP 供电与复位电路设计  72-73
    5.6.2 DSP 数据采集模数转换模块设计  73
    5.6.3 DSP 数模转换模块设计  73-74
    5.6.4 DSP 与上位机通讯设计  74-75
  5.7 DSP 软件设计  75-76
  5.8 系统综合调试  76-78
  5.9 本章小结  78-80
6 总结与展望  80-82
  6.1 全文总结  80-81
  6.2 展望  81-82
致谢  82-84
参考文献  84-88
附录  88

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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