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强度调制型光纤传感器建模分析与设计实现

【摘要】:光纤传感器与传统传感器相比具有结构简单、设计灵活、抗电磁干扰、耐恶劣环境等优点,且能实现高精度、高稳定性以及高灵敏度测量。强度调制型光纤传感器是外界信号引起光纤中光的强度的变化,通过检测输出光强的变化来实现测量的。本文是以近红外光谱吸收理论为基础,建立强度调制型光纤传感器的理论模型,并对光强补偿、反射探头、微弱信号处理等进行了深入的研究和设计实现,在此基础上,完成了传感器整机研制和实验研究。 首先,全面研究了光谱吸收的理论基础和测量方法,对不同形态的物体(气体、液体、固体)的测量原理和方法进行了研究和分类,建立了透射原理和漫反射原理检测的两种理论模型。透射原理是在朗伯-比尔定律的基础上,建立了基于窄带光源的差分型谐波检测数学模型,模型显示气体浓度与一次谐波分量、二次谐波分量都是成线性关系的。漫反射检测原理是针对固体和不透明液体的测量,建立在K-M定律的基础上,由数学模型知,待测物体浓度和输出没有可描述的线性函数关系,所以引入人工神经网络,建立漫反射原理的神经网络检测模型。 根据上述理论分析和建模,设计开发了强度调制型光纤传感系统。在传感器光路设计系统中,为了提高传感器的精度和稳定性,在分析了影响传感器性能的各种因素和典型光强补偿方法的基础上,提出了神经网络光强补偿方法和一种组合式光纤束的探头设计方法,并进行了探头的理论建模和仿真分析,给出了基于探头理论模型的优化设计方法。 微弱光电信号检测系统是传感器不可缺少的组成部分,本文根据光电信号检测原理,完成前置放大电路和微弱信号处理电路的设计实现。由相关检测原理和光纤传感器的信号特点,完成微弱信号检测的模拟处理系统和数字处理系统,通过分析验证数字检测系统比模拟检测系统具有更高的可靠性、稳定性以及灵活性。 最后,搭建透射原理检测和漫反射原理检测的实验平台。通过对一氧化碳浓度的检测来验证差分型谐波检测的数学模型,实验结果表明,一次谐波分量基本与浓度成线性关系,二次谐波分量相差不大,几乎成一条直线。漫反射原理检测纸张中的水分含量,实验结果表明,浓度与输出不成线性关系,但利用神经网络做非线性校正,达到了良好的检测效果。

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