基于半導(dǎo)體激光器自混合干涉的光纖傳感模型研究.pdf

1、半導(dǎo)體激光器自混合干涉技術(shù)和光纖傳感技術(shù)是現(xiàn)代光學(xué)測量領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù),他們有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。自混合干涉技術(shù)具有光路易準(zhǔn)直、結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍大、精度高和價格低廉等優(yōu)點(diǎn),但信號弱,不易測量、實(shí)驗(yàn)條件要求高、抗干擾能力差。光纖傳感技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、可繞曲、使用范圍廣、非侵入性和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn),但是精度不高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號后續(xù)處理復(fù)雜等。本文的新型光纖傳感器就是將半導(dǎo)體激光器自混合干涉技術(shù)應(yīng)用到光纖傳感技術(shù)中,探索出一種新型的傳感方

2、法。
　　 光纖傳感器分為光纖部分和耦合部分,光纖部分采用幾何光學(xué)的方法分析光路,耦合部分采用光傳輸散射矩陣方法分析傳輸信號的相位信息。對傳感信號的探測,傳統(tǒng)的探測方法是將傳輸信號的相位信息經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換、電腦分析等過程得到測量信息,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且速度慢。本文引入自混合干涉技術(shù),傳輸信號的相位信息經(jīng)過濾波后采用電子信號檢測的方法分析,或者將波形圖像采集到電腦軟件分析。探測過程簡單、快速是這種新方法的顯著優(yōu)點(diǎn)。
　　

3、 自混合干涉效應(yīng)的分析方法主要有兩種,一種是嚴(yán)格求解Lang和Kobayashi建立的速率方程,得到輸出光的頻率和光強(qiáng)表達(dá)式。另一種是引入法-珀腔模型分析,利用激光諧振腔穩(wěn)定條件計(jì)算有光反饋時的理論公式。本設(shè)計(jì)采用法-珀腔模型進(jìn)行理論研究,它能夠被直觀理解,而且計(jì)算簡單。本文利用這個模型已經(jīng)推導(dǎo)出自混合干涉信號的輸出相位、輸出功率公式。
　　 由于光纖傳輸?shù)南辔恍畔⑹枪庠谕馇坏耐禃r間的表現(xiàn),而光往返時間與自混合干涉信號輸出功

4、率的拍波頻率有確定的關(guān)系函數(shù),所以光纖傳輸?shù)南辔恍畔⑴c輸出功率的拍波頻率建立了關(guān)系式。而外部環(huán)境的變化(即待測物理量的變化)是導(dǎo)致光纖傳輸相位信息變化的直接因素,這樣就間接建立了待測量物理量與自混合信號輸出功率拍波頻率的關(guān)系。通過測量輸出功率拍波頻率就可以測量待測物理量的信息,建立了將自混合干涉效應(yīng)引入光纖傳感的完整理論模型。
　　 用MATLAB軟件對上述理論進(jìn)行仿真分析可以驗(yàn)證理論的正確性,仿真內(nèi)容主要為設(shè)定幾種特定情況的溫

5、度和壓力變化過程,用MATLAB軟件編程計(jì)算這些過程中自混合干涉信號輸出功率拍波頻率的變化情況。仿真結(jié)果表明,這種方法可以預(yù)測溫度或壓力的變化方向和變化的速度。通過模擬仿真溫度、壓力與輸出功率的拍波頻率關(guān)系,計(jì)算出這種方法的適用范圍和測量精度,溫度測量范圍為-50℃到350℃之間,精度達(dá)到0.78℃/Hz,壓力測量范圍主要集中在104N量級,測量精度達(dá)到47.8N/Hz。用MATLAB仿真分析溫度或壓力變化的頻譜圖,頻譜圖由多頻率的譜線

6、簇組成,中心頻率值與之前仿真值一致,能正確反映輸出功率拍波頻率。由仿真結(jié)果可以看到,本文新型傳感方法理論的正確性,若能將這種方法應(yīng)用到實(shí)際的傳感中更具有以下優(yōu)勢:結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的光纖傳感器更簡單,輸出功率波形即反映測量值信息；測量精度更高,現(xiàn)在光纖溫度傳感器的測量精度都在10-1℃量級,本論文計(jì)算測量精度為10-2℃量級；使用范圍更廣,光纖溫度傳感器普遍的測量范圍為0℃～100℃,本論文計(jì)算測量范圍為-50℃～350℃,大大提高了溫度的測量