光纤法布里—珀罗传感器腔长解调新方法与系统研究

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1、1绪论1绪论1.1问题的提出及研究意义近四十年来，随着光纤技术和光电子技术的不断发展，以光纤作为传输介质的光通信技术和以光纤作为敏感器件的光传感技术均取得了迅速发展，遍布生产生活的各个方面。作为光波传输介质用于数据传输的光纤，由于其传输中的光波特征参数，如振幅、相位、波长、频率和偏振态等，对外界环境因素敏感，如位移、温度、压力、应力、应变、水声、液位、电流、电压、电场、磁场、振动和折射率等[1,2]，使得光纤传感技术日益成为传感领域的重要研究方向。与传统的基于压电、电容、电感和超声等的传感器相比，光纤传感器具有明显优点：传感和传输信息量大；灵敏度和分辨力高；动态范围大；工作频

2、带宽；传感部分结构灵活、几何形状多样；质量轻、尺寸小；具有无源性、抗电磁干扰(Electro-MagneticInterference,EMI)；能够测量高温高压和易燃易爆等环境下的物理参数；易复用以形成传感网络；易实现实时、在线、分布式和多参数传感等[3,4]。在工业工程控制中，光纤传感器常采用光强耦合型结构或法布里-珀罗(Fabry-Pérot,FP)干涉型结构，用于温度、位移、振动、压力和流量等物理参数测量。这些参数的获得有利于工业加工过程中对加工条件、加工进度和安全性等进行有效控制，以提高加工精度和效率。在电力工业中，迫切需要可检测高电压、大电流的传感器，以满足对电流

3、电压测量和电器保护系统要求不断提高的现代电力工业。基于法拉第磁光效应(Magneto-OpticalEffect,MOE)或电光效应(Electro-OpticalEffect,EOE)的光纤电流电压传感器因不受电磁干扰和可进行非接触式测量而受到极大青睐，目前已有部分传感器进入实用商品化阶段。在建筑、汽车和航空航天等需广泛应用复合材料的领域，基于光纤传感技术的智能材料和智能结构具有广泛应用前景。通过将驱动元件和传感元件嵌入材料或结构中，材料和结构的状态参数可实时测量，如应变、温度和健康状况等，以便做出适当的调节和控制，从而保证结构安全并使其工作在最佳状态。常见的应用实例有材料

4、的固化过程监控和结构中的裂纹检测等。在医疗和化工领域中，基于激光多普勒频移效应(DopplerEffect)的全光纤探针通常用于血液流速的测量，以提高心血管疾病的临床诊断和冠状动脉成形术水平；基于荧光效应(FluorescenceEffect)或光吸收散射原理的光纤探针既可以用来检测某种物质中化学成分的分布，测试环境污染程度，又可以用来确定血液中的氧饱和程度和血红蛋白分线等重要生理指标，从而在开发污染监控系统，治疗呼吸系1重庆大学硕士学位论文统或新陈代谢系统疾病方面发挥重要作用。在军事领域中，为适应水下反潜和导弹制导等高科技作战手段的需要，世界各国的研究部门都在谋求大面积应用

5、高性能光纤传感器的可能。基于光赛格纳克效应(SagnacEffect)的光纤陀螺作为一种角加速度敏感元件，在姿态控制和惯性导航中的重要作用使其成为光纤传感技术中最早应用于军事领域的成员之一并得到长足发展。在石油工业中，基于传输损耗调制或反射光强的液位和泄露传感器已有很多商用产品，可用于油气勘探的光纤压力或光纤加速度传感器也正被越来越多的国家所研究，以替代现有的压电产品。然而，光纤传感技术还存在一系列问题：光纤传感器受制作工艺和器件发展的限制，尚未形成较大的批量生产；具备高性能和高可靠性的光纤传感系统造价偏高，尚不能为多数工程应用所能接受，需大力改进以降低成本；光纤传感虽有着极

6、高的检测灵敏度，但同时也容易受到外界干扰的影响，对被测量的增敏和对噪声的去敏是所有光纤传感要面临的主要问题；光纤传感信号与后续光电信号处理部分的配合尚不完善，部分光纤传感解调方案需要复杂的光信号解调机制，使得整个传感系统稳定性和一致性难以满足使用要求；一些光纤传感中使用的特殊工艺和器件的研制还不成熟；能够保证在恶劣环境中长期稳定可靠工作的光纤传感器封装困难，给光纤传感产品的商品化带来了困难。综上所述，光纤传感器能够被广泛应用且具有显著优点，如光纤加速度传感器在振动测试、地震监测、惯性导航与制导等领域有着广泛的应用[5-9]，与传统的采用压电或电感原理的加速度传感器相比，具有抗

7、电磁干扰、适用范围广、稳定性好、可靠性高、分辨率高、精度高、体积小和质量轻等显著优点[10]。同时，光纤传感器也面临一系列困难和问题，使得实用化的光纤传感系统和商品化的光纤传感元件尚不多见，阻碍了光纤传感器的应用规模和应用范围。作为光纤传感领域中重要一员的法布里-珀罗型光纤传感器同样面临类似问题，有必要对其进行研究。本文将主要针对光纤法布里-珀罗传感器腔长解调方面存在的一些问题做进一步改进和完善。1.1光纤传感器国内外研究现状光纤传感器一般由光源、传输光纤、隔离器、耦合器、传感探头、光电转换装置及解调系