白光非本征法布里—珀罗干涉光纤传感器及其应用研究

论文摘要

非本征法布里—珀罗干涉（Extrinsic Fabry-Perot Interferometric，EFPI）光纤传感器由于其结构简单，体积小，可靠性好，灵敏度高，被认为具有广泛的工业应用前景。高温、高压、强电磁干扰的恶劣工业环境下温度和压力的测量是EFPI光纤传感器应用的一个重要方向。EFPI光纤传感器解调技术的测量分辨率和抗干扰能力是决定其能否胜任恶劣环境下压力、温度测量应用的关键。本文在光谱域白光EFPI光纤传感器的解调机理和EFPI光纤传感器在压力、温度和应变测量应用方面进行了深入、系统的研究，主要工作如下：实现基于HR2000型微型光纤光谱仪的光谱域白光EFPI光纤传感系统。通过稳定光源光谱的存储实现干涉光谱信号归一化，并通过存储背向瑞利散射光谱消除传输光纤对归一化过程的影响。通过Hilbert变换来实现频率域干涉光谱信号的在线归一化，使归一化过程不受光源光谱形状以及谱峰位置变化的影响。提出利用BP神经网络进行谱峰级次辨识，对多个主极大谱峰在单峰测量方式下连续跟踪测量，同时实现EFPI光纤传感器高分辨率和大动态范围测量的解调技术。进行EFPI光纤传感器基于神经网络解调技术的应变标定测量实验，实现了分辨率达0.1με，500με范围的应变测量。提出基于交叉相关运算的光谱域EFPI传感器解调技术。实现交叉相关运算的离散化，给出离散交叉相关运算的快速算法，极大地提高了运算的实时性。通过快速傅立叶变换对EFPI光纤传感器的计算腔长进行预估，减小交叉相关运算的腔长计算范围。考察了光源漂移、光纤扰动和光谱仪测量基准漂移等因素对基于交叉相关解调技术的EFPI传感系统测量稳定性的影响。在连接1.5Km传输光纤后EFPI传感器腔长测量的分辨率仍可达到0.2nm。考察了EFPI光纤传感器的退火现象，通过在高温下加速残余应力的释放，消除传感器初始腔长漂移造成测量结果的偏差。进行了基于交叉相关解调技术的EFPI光纤传感器的温度、压力和应变的测量实验。实现了室温到280℃范围内，测量分辨率为0.02℃的温度测量；常压到25MPa测量范围内，测量分辨率为0.005MPa的压力测量；+／-500με范围内，测量分辨率为0.03με的应变测量。针对EFPI光纤传感器在油气井井下高温高压测量环境的应用，先后实现了基于光开关的双路EFPI传感器复用系统和基于双光源的双路EFPI传感器复用系统。进行高温、高压条件下EFPI光纤传感器温度和压力传感特性及交叉敏感的研究。利用FIR带通滤波器和Hilbert变换等数字信号处理技术进行两个不同腔长EFPI传感器叠加干涉信号的分离与解调，实现了EFPI传感器的频分复用。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 选题的依据与意义

1.3 论文的结构

2 非本征法布里-珀罗光纤传感器的基本原理

2.1 法布里-珀罗光纤传感器

2.1.1 IFPI光纤传感器的典型结构

2.1.2 EFPI光纤传感器的典型结构

2.2 EFPI光纤传感器的干涉原理

2.2.1 EFPI光纤传感器的干涉模型

2.2.2 单模 EFPI光纤传感器干涉对比度

2.2.2 多模 EFPI光纤传感器干涉对比度

2.3 EFPI光纤传感器传感机理

2.3.1 EFPI光纤传感器压力传感机理

2.3.2 EFPI光纤传感器温度传感机理

2.3.3 EFPI光纤传感器应变传感机理

2.4 EFPI光纤传感器解调技术

2.4.1 基于相干光源/直接强度探测的解调方法

2.4.2 基于白光干涉的解调方法

2.4 本章小结

3 光谱域白光 EFPI光纤传感器系统

3.1 基于微型光纤光谱仪的光谱域白光 EFPI光纤传感系统

3.1.1 微型光纤光谱仪

3.1.2 白光宽谱光源

3.1.3 光纤耦合器和传输光纤

3.2 光源参考谱提取及干涉信号归一化的方法

3.2.1 通过稳定光源光谱的存储实现干涉信号归一化

3.2.2 通过Hilbert变换实现干涉信号的在线归一化

3.3 本章小结

4 基于谱峰追踪的光谱域 EFPI光纤传感器解调技术

4.1 光谱信号的降噪光滑和谱峰的精确定位

4.2 基于谱峰追踪实现 EFPI传感器腔长的测量

4.2.1 单峰测量方式

4.2.2 双峰测量方式

4.2.3 利用神经网络实现谱峰级次辨识的解调技术

4.3 EFPI光纤传感器基于神经网络解调技术的应变测量实验

4.3.1 EFPI光纤应变传感器的标定

4.3.2 EFPI光纤应变传感器的性能测试

4.4 本章小结

5 基于交叉相关运算的光谱域 EFPI光纤传感器解调技术

5.1 基于交叉相关实现 EFPI传感器腔长的测量

5.2 交叉相关运算的离散化形式

5.3 离散交叉相关的快速算法

5.4 通过快速傅立叶变换对 EFPI光纤传感器计算腔长的预估

5.4.1 离散傅立叶变换 DFT和快速傅立叶变换 FFT

5.4.2 基于 FFT实现 EFPI传感器腔长的测量

5.5 本章小结

6 基于交叉相关解调技术的EFPI光纤传感系统性能评价

6.1 评价 EFPI光纤传感器测量性能的指标

6.2 基于交叉相关解调技术的EFPI传感系统测量稳定性考察

6.3 EFPI光纤传感器的退火效应

6.4 基于交叉相关解调技术的EFPI光纤传感器测量实验

6.4.1 EFPI光纤温度传感器的测量实验

6.4.2 EFPI光纤压力传感器的测量实验

6.4.3 EFPI光纤应变传感器的测量实验

6.5 本章小结

7 光谱域白光 EFPI光纤传感系统的复用技术

7.1 EFPI光纤传感器基于光开关的复用

7.2 EFPI光纤传感器基于多光源的复用

7.3 不同腔长 EFPI光纤传感器的频分复用

7.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢

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