光纤传感形貌测量的光学系统补偿技术研究

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1、分类号：TP212单位代码：10110学号：S1506127中北大学硕士学位论文硕士论文封面书脊华中光北北纤大传学感形光纤传感形貌测量的光学系统貌测量的光补偿技术研究学系统补偿技术研究盖婷中北硕士研究生_______________________盖婷大学指导教师_________________________杨瑞峰学科专业_________________________仪器科学与技术2018年6月3日图书分类号TP212密级非密注1UDC硕士学位论文光纤传感形貌测量的光学系统补偿技术研究盖婷指导教师（姓名

2、、职称）杨瑞峰申请学位级别全日制工学硕士专业名称仪器科学与技术论文提交日期________2018年______6月______3日论文答辩日期________2018年______5月______28日学位授予日期________年______月______日论文评阅人___________________________________________________________李艳萍教授王峰副教授郝晓剑教授答辩委员会主席_______________________张彩云2018年6月3日注1：注明《

3、国际十进分类法UDC》的分类中北大学学位论文光纤传感形貌测量的光学系统补偿技术研究摘要光纤传感器体积小、结构简单，又因抗电磁干扰和耐腐蚀能力强，常被广泛应用于表面形貌、微位移等测量中，并具有高灵敏度。其中反射式强度调制型光纤传感器(RIM-FOS)又是结构最简单、最易实现的一种光纤传感器，也因此成为学者们广泛研究的对象。它以光纤为传输媒质，通过外界“信号”引起光强度的变化，再经光电检测元件检测出光强变化来实现各参数的测量。针对反射式强度调制型光纤传感器在表面形貌中的测量，论文在光学系统搭建、RIM-FOS传输特

4、性建模、光强度补偿方法设计及实验验证几个方面均进行了深入研究。首先根据RIM-FOS探头的内部结构搭建光学系统，分析各器件基本特性以及参数选型；在光路搭建中深入分析了光源与光纤的耦合效率问题，提出一种组合透镜耦合系统，由ZEMAX光学设计软件仿真分析得到耦合效率约为78.5%，大大减少了光源输出功率因耦合损耗的能量。根据RIM-FOS的基本工作原理，采用高斯分布假设的纤端出射光强场强分布，建立接收光纤接收光功率的数学模型，并分析了光源输出功率波动等因素对RIM-FOS受光特性的影响。随后设计了一种新型不等间距错

5、位式三光纤型双光路补偿结构，通过仿真理论分析光强补偿效果，能够有效减弱光源输出功率波动等因素对测量精度的影响；同时还提出一种不需设置分光参考光路的神经网络补偿法，由神经网络预测出的一段时间内光源输出功率，作为神经网络补偿结构中的参考信号，进而实现光强度补偿。最后，通过实验测试了光源输出特性及输出功率稳定性，得到半导体激光器的长期输出功率稳定度为0.49%；同时对理论提出的两种补偿方法进行实验验证，实验结果分析得到神经网络补偿方法能够有效提高位移测量精度。关键词:光纤传感器，调制函数，光强度补偿，神经网络，耦合效

6、率中北大学学位论文ResearchonOpticalSystemCompensationTechnologyinsurfacetopographymeasurementbyopticalfibersensorsAbstractBecauseopticalfibersensorshavesimplestructure,smallsize,corrosionresistance,electromagneticinterferenceresistance,andhighsensitivity,itiswidelyus

7、edinsurfacetopography,micro-displacement,andothermeasurements.Amongthem,thereflectiveintensity-modulationopticalfibersensoristhesimplestandmosteasilyrealizedsensor,soitbecomeasubjectofextensiveresearch.Itusestheopticalfiberasthetransmissionmedium,andthechang

8、eofthelightintensitycausedbytheexternalsignal,testingthelightintensitybythephotoelectricdetectionelementtomeasureeachparameter.Forthemeasurementinsurfacetopographymeasurementbyreflectiveintensit