杨华勇[1]2002年在《反射式强度型光纤传感器强度调制特性的数学模型与关键技术的研究》文中指出作为光纤传感领域中重要的一族，反射式强度型光纤传感器(简称RIM-FOS)以其结构简单、性能可靠、设计灵活、价格低廉等优点引起了广泛关注。本文在反射光的分布、RIM-FOS的数学模型、强度补偿的理论与方法、传感器特性的仿真与测试、以及可用于传感器辅助设计和制作的计算机仿真测试系统等诸多方面进行了较为系统深入的研究。论文的主要研究内容包括： 1．参考几何法建立的光纤对光强调制函数，首次引入反射面的倾斜因子以及形状因子，建立了相应的数学模型。然后，采用数值仿真的方法系统地研究了多模光纤参数(包括光纤对轴间距、光纤芯径和光纤数值孔径)、反射面倾斜因子以及形状因子对RIM-FOS强度调制特性的影响规律。 2．引入了Beckmann关于随机粗糙表面光散射理论的相关研究结论，基于衍射分析法建立了准高斯光经过反射面后的反射光分布模型。 3．根据所得到的准高斯反射光分布模型，建立了通用的叁光纤传感器的强度调制函数。同时，采用“改进的平均间距法”建立了随机型光纤束的数学模型。此外，还对同轴型、双束型、双圈型和同轴随机型光纤束的调制函数进行了详细地推导，得到了具有系统性和关联性的光纤束强度调制函数。然后，仿真比较了各种结构的RIM-FOS的理论特性。 4．用能量流分析法推导了用分光镜分光进行强度补偿的分光比计算公式，详细讨论了入射光的强度不变而偏振方向变化以及二者同时变化对分光比的影响。采用模拟实验验证了分光镜分光中出现反向涨落的现象，提出了具体的解决办法。 5．提出了一种带随机型分光端的“Π”型光纤束分光补偿结构，并与分光镜分光补偿的强度补偿效果进行了实验比较。同时，首次从纯数学的角度分析了光束方向漂移对中孔光电池、半圆光电池以及“Π”型光纤束分光补偿精度的影响。此外，还提出并实验研究了“Π型光纤束分光+神经网络”的强度补偿法。 6．提出了用计算机仿真测试系统辅助RIM-FOS设计及制造的思想，并首次提出了RIM-FOS的最佳设计制作流程。 7．综合采用了一些关键技术，首次设计了一套能够完成RIM-FOS特性仿真和特性测试的计算机仿真测试系统。同时，还提出了归一化特性曲线的参数化描述方法。 8．设计若干典型实验检验了仿真测试系统的性能。结果表明，该系统不但可完成RIM-FOS特性仿真和特性测试功能，而且还可以开机即测且不受环境光干扰和光源功率波动的影响，测试稳定性好，重复性较高。
齐峰[2]2006年在《陀螺仪位置信号采集的研究》文中研究指明结合陀螺仪自身的特点,选择反射式强度型光纤传感器采集陀螺转子位置信号。在过去的四十年里,作为光纤传感领域中重要的一员,反射式强度型光纤传感器以其结构简单、性能可靠、设计灵活、价格低廉等优点引人关注,它已经被广泛地应用于诸如振动测量、自动控制、压力测量等工业测量领域。本文在反射光的分布、RIM-FOS的数学模型、传感器特性的测试等反面进行了一定的研究,主要内容包括:1.参考几何法建立的光纤对光强调制函数,引入反射面的倾斜因子以及形状因子,建立了相应的数学模型,并研究了光纤参数、反射面倾斜因子、反射面形状因子对RIM-FOS强度调制特性的影响规律。2.根据准高斯反射光分布模型,建立了通用的叁光纤传感器的强度调制函数。3.分别以不同的反射面及在不同的温度下测试了叁光纤传感器的特性曲线,验证了叁光纤传感器可以有效地消除反射率变化及温度变化对测量精度的影响这一规律。
隋鑫[3]2009年在《深孔内径光电检测技术研究》文中提出本文提出了一种基于反射式强度调制型光纤传感器的深孔内径光电检测系统,涉及光纤传感技术、微弱信号检测技术及数字信号处理技术等关键技术,能够实现对小深盲孔内径的测量,具有结构简单、抗干扰能力强、测量范围宽和可连续在线检测等优点。理论上分析,系统量程为1mm,精度可达10μm。本文主要完成了以下研究工作:首先,建立光纤对光纤出射端光强准高斯分布模型下的强度调制函数,利用计算机仿真分析该模型下光纤对参量和反射面曲率半径对传感器调制特性的影响规律,为光纤传感器的结构设计提供了重要的理论依据。其次,在光纤对强度调制函数的基础上,建立几种常见类型光纤束的强度调制函数。通过对其调制特性的数值仿真分析,选择具有强度补偿结构的同轴随机型光纤束,用以消除光源波动、环境光、光电器件漂移以及被测表面反光系数等因素的影响。再次,选择合适的光源和光电转换器件。通过前置放大、带通滤波、相敏检波、低通滤波等模块实现模拟信号的放大与提取。将处理后的模拟信号送入嵌入式微控制器ADuC812,通过软件的方法进行算法补偿,实现两路信号相除和电压位移曲线的线性化处理。最后,系统分析影响深孔内径光电检测系统精度的各种因素,定量计算各项误差的极限值,并介绍提高检测系统精度的几种方法。
石小妹[4]2013年在《基于塑料光纤的反射式强度调制型光纤位移传感器研究》文中提出随着光纤制造业的快速发展以及各种各样光纤材料的深入研究，光纤传感技术也因其独特的优点得到了迅猛的发展，反射式强度调制型光纤位移传感器（RIM-FODS）是其中研究较成熟的一种，由于其具有原理简单、带宽较高、设计灵活、制作方便、性能稳定等优点，被广泛应用于位移、声音、压力、振动等物理量的测量。与传统的石英光纤相比，塑料光纤具有成本低、数值孔径大、韧性高等优点，因此在光纤传感领域有较广阔的应用前景。本文对基于塑料光纤构成的反射式强度调制型光纤位移传感器进行了研究。首先，以准高斯分布模型描述塑料光纤出射光场，建立了基于塑料光纤的RIM-FODS单光纤对模型光强调制特性函数的理论模型，并仿真分析了多种特性参数对传感器强度调制特性的影响规律。并且在此基础上仿真分析了光纤束结构模型的光强调制特性。进行了塑料光纤RIM-FODS总体方案的设计并选取了合适的光源和探测器。接着，在微弱光电信号处理理论的基础上完成了塑料光纤RIM-FODS光电信号处理系统的设计，该设计利用了基于互相关检测理论的锁相放大技术原理。光电信号处理系统包括光源调制和驱动电路、光电探测电路、前置放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路和低通滤波电路。然后，完成了RIM-FODS数据采集系统的设计。数据采集系统主要包括A/D转换模块、USB数据传输模块、FPGA控制模块和上位机模块，并且进行了基于FPGA的模数转换器AD7654和USB数据传输的控制程序及两者结合的软件设计。在整个传感器系统制作完成后，搭建了光学平台对传感器性能进行了测试，包括光强调制特性测试，系统重复性、稳定性测试以及传感器灵敏度等实验。实验效果良好，基本满足设计期望。
祝睿雪[5]2017年在《反射式强度调制型光纤微位移及角位移传感器研究》文中进行了进一步梳理光纤诞生以来,光纤传感技术以及各类光纤传感器件迅速发展。反射式强度调制型光纤传感器是光纤传感器家族中重要组成部分,可用于不同场合、针对不同待测参量、能满足不同测量需求的新型反射式强度调制型光纤传感器的研制持续受到研究人员的关注;其次,位移及角位移作为测量学中的基本参量,在科学研究及生产实践中需要进行快速、高精度、自动化的测量,并且还需要满足防潮、防爆、无源、低噪声和保密性等技术要求,因此,研制新型光纤位移和角位移传感器对于测量学发展和现代工业技术的进步具有重要意义。本文从理论和实验两方面研究了一种基于反射式光强调制型物体位移和角位移测量光纤传感器。首先对传感器的测量原理和基本结构进行设计与分析,推导位移和角位移传感调制的特性函数;其次,根据所得特性函数及具体参数对理论传感曲线进行模拟和仿真;分析各参数对传感性能的影响,指导此类传感器的设计思想与技术路径;然后,通过实验对所设计的光纤微位移和角位移传感器的传感性能、重复性、迟滞性等进行测量和验证,并将实验结果与模拟和仿真的理论结果相比较,证实了其一致性;最后,阐述一种光纤探头结构的特殊设计来实现探测光强度补偿的方法,通过理论分析可知该探头结构在补偿光强度漂移、提高传感器稳定性的同时还可改善其传感性能。本文在以下方面获得了一些有价值的结果,验证了所设计的光纤位移和角位移传感器在理论和实验上的有效性,具有一定的创新意义。1、在位移传感的实验研究中,得到实际传感曲线的形状为一个左右不对称钟形曲线,左边为前坡,右边为后坡,曲线前坡与后坡都能够作为位移传感曲线使用;通过对前、后坡曲线分别进行线性拟合,在耦合系数为99%的条件下,得到前坡和后坡光纤位移传感器的量程分别为1.05mm和1.60mm,其传感区间分别是0.10-1.15mm和1.30-2.90mm,后坡位移传感量程为前坡的1.5倍;前坡和后坡位移传感灵敏度分别为(105.92%×Pmax)mW/mm和(27.51%×Pmax)mW/mm,其中Pmax为传感曲线最大功率值,前坡传感灵敏度为后坡的3.85倍。2、在角位移传感的实验研究中,得到关于峰值位置(角位移为0处)对称的两个具有很好线性度的正、负角度传感区间;并发现反射镜到光纤端面之间不同的距离对应于不同的角位移传感曲线,在0角位移时,角位移传感曲线峰值的大小随反射镜与光纤端面间距增大而先增加后减小。但在传感曲线峰值达到最大值之前,间距的增大并不改变角位移传感器的线性传感区间,仅对其灵敏度产生影响,实验表明该光纤角位移传感器的最大灵敏度为13.71%/deg,线性传感区间为[-7.20°,7.20°]。本文所述的反射式强度调制型光纤传感器不仅可用于微位移或角位移的直接测量,还可与其他装置组合构成测量其它参量的传感器,如速度计、加速度计、角加速度计和流量计等,具有广泛的应用前景和产业化价值。
张永奎[6]2011年在《基于光纤传感技术的钢球表面缺陷检测研究》文中进行了进一步梳理轴承是机械工业中重要的基础零部件,而钢球作为球轴承的滚动体,它的质量优劣对轴承的运动精度、寿命、性能等起决定性作用,其中钢球表面缺陷对钢球质量的影响尤为明显,加工后的部分钢球表面会存在麻点,斑点,烧伤,擦痕,划条,凹坑等缺陷,这些表面缺陷使球轴承在旋转运动时产生大的噪声和振动,是制约球轴承质量提高的关键因素。国产钢球的表面质量与国外同级别的相比仍然存在较大的差距,造成这种差距的原因之一就是钢球检测技术的落后。开发一种价格适中,高速高效的钢球表面质量检测设备迫在眉睫。本文提出的基于光纤传感技术的钢球表面缺陷检测研究是以山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目(钢球表面缺陷的多光纤检测机理研究)、山东省高等学校科技计划项目(基于光纤传感器的钢球表面质量检测机理研究)、济南大学校博士基金项目(轴承钢球质量检测与分选控制系统研究)、企业委托项目(轴承钢球质量的检测与分选控制系统开发)为依托,以钢球表面缺陷为研究对象,以反射式强度型光纤传感器工作特性为基础,着重研究钢球表面缺陷的自动检测技术,目的就是为了解决我国在钢球表面质量检测方面自动化程度低,效率低的“瓶颈”,开发出具有自己独立知识产权的钢球外观检测仪。分析了钢球表面缺陷参数和特征,用表面缺陷参数将表面缺陷量化,从表面缺陷深度、表面缺陷高度和表面缺陷反射率叁个参数对钢球表面缺陷进行新的分类,将钢球表面缺陷的检测转换为位移量和反射率的检测。基于均匀分布模型和准高斯分布模型分别建立了单发单收和单发多收光纤传感器数学模型,通过仿真分析光纤参数对光纤传感器的影响,确立了钢球表面缺陷检测光纤传感器参数(纤芯/包层直径,数值孔径等)。探索出粗糙表面散射理论和双光束补偿测量法在钢球表面缺陷参数分离提取中的可行性,通过同轴型光纤传感器实现了位移量和反射率两类参数的分离提取。建立了钢球经纬(子午线)展开机构工作轨迹的数学模型并用Simulink进行了仿真,分析了光纤探头在钢球上的扫描轨迹以及展开轮在实现经纬展开方式的工作原理,为钢球展开机构的制作奠定了理论基础。基于调制技术和锁相放大技术,分析并设计了钢球表面缺陷信号处理系统,包括激光激励驱动电路、窄带滤波电路、相敏检波电路、移相电路、除法运算电路、信号采集等,通过锁相放大技术可以大大提高信噪比,消除掉由于展开机构的振动等因素带来的噪声,实现了信号的采集,处理与显示。构建了钢球表面缺陷光纤检测总体系统,通过实验可以看出:用反射率参数来检测钢球表面缺陷,展开机构振动对其影响很小,不会出现将好球检测为坏球的情况,但会出现漏检的情况;用位移参数来检测钢球表面缺陷,展开机构振动对其影响非常大,甚至可能将信号淹没,如果展开机构做得足够精密,可以很好检测钢球表面缺陷,用两种参数同时进行检测可以减小漏检率。通过分析与设计,初步建立起一套基于光纤传感技术的钢球表面缺陷检测体系,为以后钢球表面缺陷检测机的研制奠定基础。
荆冬平[7]2011年在《薄膜光学微力传感器理论与试验研究》文中研究说明光纤传感技术是实现精密测量的重要手段之一。反射式强度调制型光纤压力传感器灵敏度高、结构简单、造价低廉、抗干扰能力强；另外，光学薄膜具有微力敏感特性，基于此本文设计并研制了一种基于薄膜体的光学微力传感器。该传感器与传统光纤压力传感器相比，利用了薄膜弹性力学和光学的特性，光纤束采用双同心圆型排列，除具有传统光纤传感器的全部优点外，还具有线性度好、精度高、对仪器要求少等优点，具有广阔的工程应用前景。论文对光学薄膜的微力敏感特性以及反射式光纤压力传感器的光强调制特性进行了数学建模以及仿真研究；为实现微力的准确加载，设计并搭建了微力测试平台，微力的获取通过标定过的标准微粒子来实现，由叁坐标运动平台驱动微粒夹持器完成微粒的精确定位与加载；光信号经过光电转换和信号处理电路后，在工控机上完成试验数据的处理；运用正交试验法对测试系统进行了微力加载和测量试验研究，标定了传感器的静态特性。通过理论分析以及试验研究发现：光纤探头内外圈接收光纤的光通量比值与薄膜反射面斜率之间的关系曲线第一段具有较好的线性度、灵敏度、以及准确性，适合用作传感器的线性测量区；大半径、厚度小的低弹性模量的薄膜可以改善薄膜的微力敏感特性；发射光纤数值孔径、发射光纤芯径、外圈接收光纤芯径、光纤探头与薄膜初始距离的增加，以及内圈接收光纤芯径的减少，均可提高传感器的灵敏度。
贲富来[8]2008年在《双通道光纤气压传感器的光电信号检测与处理技术》文中提出传感器技术是当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一。光纤传感技术更以其显着的优势被广泛应用于越来越多的领域。气压传感器广泛应用于气象、汽车、化工、航天、食品加工、电子封装以及科学研究等领域。为此,在了解了国内外光纤压力传感器动态,尤其是反射式强度调制型光纤检测的现状和发展基础之上,本文论述了基于双通道光纤传感器实现气压检测的光电信号探测与处理技术、电路系统设计及其实现。本系统的信号处理电路主要包括:光电信号检测电路、带通滤波电路、真有效值转换电路、末级放大电路、单片机应用系统等。带通滤波电路是本系统消除噪声的关键部分,论文深入分析了带通滤波器的传输函数和幅频特性。通过精心选择电路中的元器件数值,系统的带通滤波获得理想效果,为系统的精确性提供了保证。真有效值转换电路采用了芯片AD736,该芯片具有准确度高、灵敏性好、测量速率快等多个优点,非常适合本传感器系统。两个通道的信号经过前述的处理之后,被送到12位A/D转换器TLC2543进行A/D转换。转换的结果随后被送到微处理器中进行软件处理,实现两路信号的相除、非线性校正以及送LCD单元显示。论文给出了系统的软件流程图和部分重要的子程序。对本系统进行了标定实验。对实验数据进行了处理,得到了标定数据的拟合曲线。针对实验所得数据的非线性,综合利用了多种校正方法并得到了实验数据的拟合曲线和拟合系数。实验结果表明,本系统所介绍气压传感器测量范围为900～1100hPa。
徐顺[9]2017年在《光纤压力传感器测量精度的研究》文中研究表明传感器技术,是信息科学的基础,也是现代物联网信息技术重要支柱之一。现代工业持续发展,对传感器的测量精度提出的要求越来越高。随着光纤工艺的发展,利用聚合物封装的反射式光纤压力传感器,因其重量轻、尺寸小、传输距离远、耐腐蚀性能好、抗电磁干扰性能强的特点,获得广泛应用。由于温度对反射式光纤压力传感器测量精度的影响比较大,所以对反射式压力传感器的温度补偿进行研究。本文采用数据融合技术解决温度对反射式光纤压力传感器测量精度影响的问题,其主要研究内容如下:(1)分析了反射式光纤压力传感器的工作原理,并对几种常用数据融合算法如多元回归、传统BP神经网络以及粒子群优化BP神经网络方法进行了论述。(2)针对反射式光纤压力传感器测量精度容易受温度影响较大的问题,采用多传感器信息融合技术,对反射式光纤压力传感器进行温度补偿。将反射式光纤压力传感器设置为主传感器,DS18B20温度传感器设为辅助传感器,并进行了二维温度标定实验。根据标定实验数据,求出未补偿前的灵敏度温度系数和温度附加误差的值分别为8.4808×10~(-3）/℃和32.3120%。(3)建立了多元回归、传统的BP神经网络以及粒子群优化BP神经网络算法的温度补偿模型,对反射式光纤压力传感器进行温度补偿,并且比较几种融合算法的补偿效果。(4)本文采用MSP430F149单片机设计出一个具有无线传输功能的实时压力测量及补偿系统。本系统主要包含叁个部分:第一部分,将反射式光纤压力传感器和温度传感器采集数据送到上位机;第二部分,nRF24L01短距离无线通信传输模块;第叁部分,下位机对无线模块传来的数据进行处理,并且包括了报警、显示等外围硬件电路。在IAR软件开发平台上运用C语言对各个功能模块进行程序的设计,通过主程序调用各个子模块,使系统能够正常实现工作。研究结果是,通过利用二元回归和传统BP神经网络算法对光纤压力传感器进行温度补偿后,其温度灵敏度系数从原来的8.4808×10~(-3）/℃分别改善为1.9412×10~(-3）/℃和1.0991×10~(-3）/℃,温度附加误差由原来的32.3120%,改善为7.4615%和4.1877%,两种算法对反射式光纤压力传感器性都有一定改善;而用粒子群优化BP神经网络方法求出补偿后的灵敏度温度系数和温度附加误差,分别为2.2734×10-4/℃和0.8622%。从以上数据可知,粒子群优化BP神经网络把反射式光纤压力传感器的灵敏度温度系数提升了1个数量级,温度附加误差提升了2个数量级。与前两种算法比较可知,粒子群优化BP神经网络算法对温度补偿效果更佳。
郑征世[10]2017年在《炉膛声波测温系统光纤传声器特性研究》文中研究说明电站锅炉温度场对于锅炉运行控制和燃烧诊断具有重要意义,炉内温度场分布将直接影响到炉膛燃烧的稳定性和污染物排放。声学测温法作为一种基于声波理论的非接触温度测量技术,具有连续测量,实时监测等诸多优点,在炉膛温度场测量领域有着良好的应用前景。声波信号测量的质量是炉膛温度场测量的关键,因此声波测温系统中传声器的性能将直接影响炉膛温度场测量的结果。传统电磁式传声器由于耐高温性差、易受电磁干扰等缺点无法在炉膛复杂环境下长期工作,亟需研制一款耐高温、抗电磁干扰、显着改善精度、能够在复杂环境下长期稳定工作的新型传声器。本文在对比分析几种声波测量技术之后选择光纤传声器作为研究对象,针对传统传声器在炉膛声波测温系统中出现的问题,研究适用于炉膛声波测温系统复杂环境下的光纤传声器。论文通过机理建模、有限元分析、实验平台测试等方法对光纤传声器的性能进行研究,旨在提高炉膛声波测温系统中声波信号采集的精度。本文的主要研究内容包括:1.对光纤传声器振膜振动过程和光纤光强调制过程进行数学建模和特性分析,并在此基础上建立光纤传声器声波测量过程的数学模型和性能评价指标,研究光纤传声器振膜、光纤结构参数对光纤传声器灵敏度、频响特性、线性度等性能的影响,为光纤传声器的研制提供理论依据。2.从理论分析和有限元分析两个角度出发,研究热环境对光纤传声器的影响。通过有限元分析软件ANSYS进行有限元建模仿真,对热环境下光纤传声器振膜结构振动特性的变化规律进行研究,并分析比较不同材料和不同结构参数下光纤传声器性能受温度影响的程度,为热环境下光纤传声器最优结构设计提供理论支持。3.在理论分析的基础上搭建光纤传声器声波测试平台,根据实际情况为测试平台选择合适的设备类型和结构。利用光纤传声器声波测试平台进行系统稳定性测试,并采用分光光强比值的方法对光源不稳定性进行补偿。对不同振膜材料和结构参数下的光纤传声器的性能进行测试,同时分别从还原信号波形、灵敏度、频率响应等性能指标对光纤传声器与传统电磁式传声器进行性能对比测试,实验结果表明研制的光纤传声器的性能能够达到与传统传声器相当的水平,验证了光纤传声器这一声波测量方法应用于炉膛声波测温系统中的可行性。
参考文献：
[1]. 反射式强度型光纤传感器强度调制特性的数学模型与关键技术的研究[D]. 杨华勇. 国防科学技术大学. 2002
[2]. 陀螺仪位置信号采集的研究[D]. 齐峰. 中国科学院研究生院（电工研究所）. 2006
[3]. 深孔内径光电检测技术研究[D]. 隋鑫. 长春理工大学. 2009
[4]. 基于塑料光纤的反射式强度调制型光纤位移传感器研究[D]. 石小妹. 哈尔滨工程大学. 2013
[5]. 反射式强度调制型光纤微位移及角位移传感器研究[D]. 祝睿雪. 中国地质大学. 2017
[6]. 基于光纤传感技术的钢球表面缺陷检测研究[D]. 张永奎. 济南大学. 2011
[7]. 薄膜光学微力传感器理论与试验研究[D]. 荆冬平. 南京航空航天大学. 2011
[8]. 双通道光纤气压传感器的光电信号检测与处理技术[D]. 贲富来. 南京信息工程大学. 2008
[9]. 光纤压力传感器测量精度的研究[D]. 徐顺. 东华大学. 2017
[10]. 炉膛声波测温系统光纤传声器特性研究[D]. 郑征世. 东南大学. 2017
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