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1、光纤应变传感理论与实验研究.学校代码;学号:棋旦大学硕士学位论文光纤应变传感理论与实验研究院系所;材料科学系物理电子学专业:孙尧姓名:贾波副教授指导教师:完成日期:年月日摘要光纤应变传感器于世纪年代初就已经出现,但是其兴起却是在最近十几年之间。目前,相关的报道经常见诸纸端,然而多数还处于实验室研究中。随着科学技术的飞速发展,电子与通讯产品向高精度、小型化发展,对传感器提出了更高的要求。本文即针对此种现状,对光纤传感作深入分析研究,并提出了一种全新的光纤应变传感系统,利用此系统进行了测量应变的大小和定出应变的位置的一系列实验,取得满意的结果,在传
2、感科学与技术方面取得较大进展。本文分为两个部分,按照从基础到应用的顺序,分别包含作者两方面的工作,即光纤应变传感基本器件的计算机模拟和光纤应变传感理论实验研究。前一部分,作者着重于光纤应变传感的基础器件模拟研究。作者对光纤应变传感实验中所用到光纤和光耦合器件的基本原理进行分析,通过对耦合模的理论方程进行分析、编程计算,用计算机计算模拟出其输出特性曲线。经过多次计算,得出了一系列实验曲线并对其进行分析,最后指出光纤耦合器件在光路的作用。后一部分,作者在前一部分的基础上发展开来,对光纤应变传感进行理论分析和实验研究。作者通过自己的公式推导分析了光纤
3、应变传感调制基本原理??光弹性效应,以及光信号解调的基本原理??光干涉,并指出可以用于语音的传●输。作者设计并提出了一种新型的光纤传感系统,介绍了系统的搭建工作实验准备,分析了系统的性能并利用此系统进行测量和能拓展实验。该系统是在全光纤干涉系统的基础上设计出的一种新型光纤传感系统,采用一只×光纤耦合器和反馈环路构造干涉光路,首次使用单芯光纤作为传感器,结构简单。我们通过这个系统进行了应变的测量和定位实验,而通过实验我们发现,其尚具有灵敏度高的优点,且精度也高最佳达到.‰,有着乐观的应用前景.最后,总结了全文的工作,并指出作者对撰写此文所作的工作
4、。本文的工作为在实际应用中进行长距离监测提供了理论和实验基础。■关键词:光纤,应变,传感器,光纤耦合器,干涉,光弹性效应,定位中图分类号:;.■.船.,.,.,.,.,.,..,,...,嬲.?,,..‰,.Ⅱ...●:,,,,,?●●?Ⅱ?第一章绪论第一章绪论●.光纤应变传感的理论和现实意义传感器对于我们而言是常见而又有些陌生的。常见,指的是其在实际生活中经常用到,例如煤气灶的气体报警装置、门禁的报警装置、光线感应装置等等陌生,则是指我们对其原理、功能和特性的了解远比我们对其的依赖程度要少得多。不止在生活中,在工业中传感器的应用也相当广泛,甚
5、至到了缺之不可的程度。很多睛况下,人不能到达的地方,需要依赖传感器将情况传达到外界,以便人们对发生的睛况进行了解,进一步采取措施。现代社会中传感器是人们生活、生产中不可或缺的工具。●从原理上来分,传感器可以分为温度、位移、压力、转速、重量、湿度、流量、电流等等。如果考虑到传感器所感应的量,这些传感器大都可以归为测量温度变化、电场强度变化、位移变化、应力变化等类型,通过感应这些量的变化,应用相应的物理学原理,将其转变为另一易于表示的量,再通过某种方法还原并表现出来。例如,在传感中一种常见的方法是将光强度的变化、位移的变化、温度的变化等转化为电流的
6、变化在表现出来,从而测量。随着现代军事科学技术、航天科学技术、核技术以及自动化技术的发展,对新型传感器的要求与日俱增,从而推动了传感器的研制和生产的不断发展。现代微电子技术、微计算机技术、微制造技术、新型材料、激光和光纤技术以及超导技术等高新技术为实现新型传感器的设计提供了技术基础,而各种各样传感器●的推出问世又大大促进了各种高科技的发展。尤其是光纤技术的发展,给传感器的发展提供了一个全新的平台。光纤传感器是自年代起随光纤通讯及光纤传感等相关技术发展而飞速发展的新型传感器【”。由于光纤也具一般物体所有的物理性质,因而光纤作为感受外界信号的承受体
7、可以感应温度、位移、电场、应力等的变化,而这些变化则表现为光纤内部结构的某些微观或者介观结构的变化,则在其中传输的光信号也受到影响;只要通过某些转化将光信号还原为原先加载在光纤上的信号,即成为了光纤传感器。传统的传感器以应变一电量为基础,以电信号为转换及传输的载体,用导线传输电信号,因而使用时受到环境的限制;光纤传感器则是以光信号为变换和传输的载体,利用光纤传输光信号,其优点在于:光纤是由石英玻璃制成的,是一种介质、绝缘体,且耐高压、耐腐蚀,能在易燃易爆的环境下可靠运用;光纤为无源器件,对破测对象不产生影响;第一章绪论光纤体积小,重量轻,可做成
8、任意形状的传感器阵列;光纤传感器的载体是光,其频率数量级为,从而使传感器频带范围很宽,动态范围很大,且不受电磁场干扰:具有极高的灵敏度和分辨率。所有这
