【摘 要】
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光纤传感技术是随着上世纪70年代光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。它具有抗电磁干扰、本质安全、结构简单等诸多优点。然而,它也有一定的不足之处,如检测设备价格昂贵以及灵敏度受到光源波动的影响。因此,对新型光纤传感系统的研究具有十分重要的意义。光纤环形腔衰荡(FLRD)技术是一种新的光学解调技术,它由腔衰荡(CRD)技术发展而来。在FLRD系统中,通过光脉冲在光纤环路中的衰荡时间来检测待测量,且衰荡
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“国家棉麻、粮食物资储备库安全保障技术与装备研发(2017YFC0805900)”;
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光纤传感技术是随着上世纪70年代光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。它具有抗电磁干扰、本质安全、结构简单等诸多优点。然而,它也有一定的不足之处,如检测设备价格昂贵以及灵敏度受到光源波动的影响。因此,对新型光纤传感系统的研究具有十分重要的意义。光纤环形腔衰荡(FLRD)技术是一种新的光学解调技术,它由腔衰荡(CRD)技术发展而来。在FLRD系统中,通过光脉冲在光纤环路中的衰荡时间来检测待测量,且衰荡时间可以通过示波器采样的呈指数衰减的光脉冲序列来计算。因此,该技术具有不受光源波动影响,成本低,灵敏度高等诸多优点。本文的主要研究内容是FLRD技术及其传感应用。具体内容如下:1.阐述并分析了FLRD技术的基本原理,研究了如何进行FLRD实验系统搭建,且分析了FLRD系统输出光脉冲信号的处理方法。2.进行了基于单模光纤(SMF)拉锥并结合FLRD技术的光纤曲率传感实验研究。我们通过由具有不同曲率的SMF拉锥的弯曲损耗所改变的衰荡时间感测曲率。在实验中,将五个腰径为44.1至65.4μm的SMF拉锥用于测试,曲率测量范围为0-8.33 m-1。实验表明,SMF拉锥的锥区越细,对曲率的敏感度越高。且腰径为44.1μm和65.4μm的SMF拉锥的灵敏度分别为0.725μs/m-1和0.328μs/m-1。最后还提出了不同设备测得的具有不同单位的灵敏度的比较方法。3.进行了基于光纤布拉格光栅(FBG)结构并结合FLRD技术的反射式光纤温度传感实验研究。采用中心波长为1547.33 nm的FBG在30-38℃的温度范围内实现温度测量。实验表明,其平均灵敏度为1.003μs/℃,且理论精度可达0.005℃,是目前FBG传感解调仪能达到的精度的20倍,同时稳定性良好。4.提出并实现了一种结合FLRD技术检测粮食中黄曲霉毒素B1(AFB1)的光纤传感系统。将SMF拉锥设为传感头,并通过折射率(RI)测量实验确定其腰径为17.1μm。当光脉冲进入光纤环路中循环传播时,每次穿过传感头,光脉冲都会受到一点损耗。系统的衰荡时间因传感头附近的光强损耗而改变,且这与AFB1溶液的浓度有关。实验结果表明,在0-5μg/ml的浓度范围内,传感头对AFB1的灵敏度为0.755μs/(μg/ml),精度为0.016μg/ml。与其他AFB1传感器相比,该系统结构简单、成本低、精度高且对光源波动不敏感,具有食品安全监控的潜力。
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