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关键词： 光纤传感器   马赫-曾德尔干涉仪   羟基氧化铁纳米材料   氧化锌纳米材料  

摘要： 随着科技的飞速发展,传感器技术也在不断进步,为各个领域带来了革命性的变革。传感器的多样化发展导致了一系列新型传感器的出现,这些传感器各具特色,为各行各业提供了更精确、更高效的数据采集和监测手段。其中,光纤传感器作为一种极具潜力的新型传感器,备受关注。光纤传感器具有许多优点,如耐高温、耐辐射、耐高压等恶劣环境中。而随着社会的快速发展,提高光纤传感器的灵敏度就显得尤为重要。将干涉仪型传感器与敏感材料相结合是提高光纤传感器灵敏度的一种方法,具有高灵敏度、光谱稳定和快速响应等优点。本文主要制备了将羟基氧化铁和氧化锌作为新型敏感材料,用来设计三款对磁场、温度、湿度等参量测量的高灵敏度光纤传感器,并且经过实验验证,获得比较好的效果。本文主要内容如下: (1)采用单模光纤(SMF)、多模光纤(MMF)、细芯光纤(TCF)进行拼接,制作出一款结构为“SMF-MMF-TCF-MMF-SMF”的马赫-曾德尔干涉仪。为了提高灵敏度,利用水热法在TCF表面生长一层羟基氧化铁薄膜,并研究其磁场特性。通过对传感器进行磁场的测量,得到磁场的灵敏度为-105.71 pm/m T,线性度为0.9801。这是首次将羟基氧化铁生长在TCF表面上,并对其进行磁场的测量。相较于以前的磁场传感器,该传感器结构简单,拥有较高的灵敏度和线性度。而且经过多次实验和稳定性测试,证明其具有良好的重复性和稳定性。 (2)利用单模光纤、无芯光纤、细芯光纤制作了一款马赫-曾德尔干涉仪,为了提高温度和湿度的灵敏度,将羟基氧化铁均匀的生长在光纤的表面,为了消除交叉敏感,在单模光纤后面级联了一个仅对温度敏感的光纤布拉格光栅。该传感器表现出较高的温度灵敏度(383.5 pm/℃),线性度为0.9968;表现出较高的湿度灵敏度(179 pm/%RH),线性度为0.997。此外该传感器表现出良好的重复性和稳定性。 (3)利用水热法制备了氧化锌纳米片阵列作为一种新型敏感材料,将“SMFMMF-TCF-MMF-SMF”结构的光纤马赫-曾德尔(MZI)传感器与氧化锌相结合,用于测量温度和湿度,大大提高了该传感器的灵敏度。同时与该传感器级联了一个光纤布拉格光栅,构建了温度和湿度的测量矩阵,消除了交叉串扰。结果表明,当温度从40℃上升到75℃时,该传感器的温度灵敏度为325.84 pm/℃,线性度为0.980;当湿度从70%RH上升到97%RH时,该传感器的湿度灵敏度为230.66pm/%RH,线性度为0.9690。

关键词： 掺铒光纤   Fabry-Perot腔   自感应双色场   荧光光谱   增益烧孔  

摘要： 基于掺铒光纤动态光栅与光纤Bragg光栅构成的Fabry-Perot腔(F-P腔),腔内的带边反射光会由于光纤Bragg光栅在中心反射波长处的窄带滤波作用而被压窄,之后F-P腔自感应会产生强双色场。原子在双色场驱动下,其光谱特性会出现一些在单色场驱动下不存在的新特征。掺铒光纤系统也出现相同的现象。二十世纪九十年代左右,场与物质相互作用、量子相干效应和量子干涉现象被发现,促使掺铒光纤的荧光与增益特性以及应用成为研究热点。 在本文中,我们对掺铒光纤、F-P腔以及掺铒光纤荧光与增益的研究现状和应用领域进行了简单的概述,并阐述了场与物质相互作用的相关理论,建立了非相干泵浦下铒离子三能级相互作用模型,求解了密度矩阵方程、光学Bloch方程和速率方程,理论计算和数值模拟了F-P腔下掺铒光纤的荧光与增益特性,实验研究了F-P腔自感应产生双色场驱动铒离子的荧光光谱和增益烧孔现象,通过实验验证了理论计算的正确性,最后对其物理机制和潜在应用进行了阐述。 我们先对具有时间演化的密度矩阵方程进行拉普拉斯变换,再利用量子回归原理得到双色场下的荧光表达式。分别讨论在能级耦合与非耦合情况下,不同拉比频率、场与能级之间失谐变化对稳态强度谱的特性,探究了铒离子与双色场的平均频率失谐、拉比频率和非相干泵浦等参数对荧光光谱的影响,并利用缀饰劈裂能级对上述过程进行解释。之后通过实验验证了非相干泵浦下双色场驱动F-P腔掺铒光纤的近共振荧光现象。 我们还通过建立粒子数速率方程,得到光纤的增益系数。利用数值模拟,讨论了光纤长度、掺杂浓度、掺杂半径和泵浦输入功率对掺铒光纤增益的影响。之后通过实验产生1550 nm的单波长信号光,最后探究不同泵浦光功率作用于F-P腔中掺铒光纤的增益谱以及F-P腔自感应产生双色场后的增益烧孔现象。 非相干泵浦下F-P腔由于量子相干效应自感应产生双色场导致的增益烧孔,在理论上会出现无穷多个增益烧孔,为未来空间遥感成像、高密度光信息存储和光信息远距离传输提供了可能。

关键词： 靶场测试   双目标   CCD交汇测量   综合标定   着靶坐标  

摘要： 弹丸着靶坐标是身管武器性能测试当中的一项重要参数,目前常用的双线阵CCD交汇立靶、多光幕交汇立靶、光电探测阵列立靶均存在无法测量双弹丸同时着靶的问题,不能满足高射频连发武器及双管武器等的测试需求。为解决双目标同时着靶的问题,本课题提出一种基于三线阵CCD交汇原理的坐标测量方案,构建了系统测量模型和系统结构参数综合标定模型,对系统测量误差进行了仿真与分析,通过双目标同时着靶模拟实验平台和钢珠弹实弹射击试验对系统测量原理和测量精度进行了验证。本文主要研究内容如下: 1)针对现有双线阵CCD交汇测量系统无法识别双目标同时着靶产生的虚假目标问题,提出了基于三线阵CCD交汇原理的测量方案,该测量方案通过左右两台CCD相机计算弹丸的着靶坐标,再以中间CCD相机进行真实与虚假坐标的识别,实现了对双目标同时着靶的坐标测量。 2)基于提出的三线阵CCD交汇测量方案,为提高系统测量精度,研究了基于三线阵CCD相机的系统参数综合标定模型,建立测量系统镜头焦距、镜头主点位置坐标等系统参数与弹丸着靶坐标之间的数学矩阵关系,最终通过系统参数数学矩阵和每一次测试得到的弹丸投影中心像元编号计算得到弹丸着靶坐标。 3)根据所提测量方案,设计了三线阵CCD交汇测量系统,以及模拟双弹丸同时着靶试验平台,采用7个系统参数标定用模拟弹丸对应的坐标及其CCD像元编号计算出系统参数矩阵,通过获得的参数矩阵对模拟弹丸坐标和钢珠弹实弹射击坐标进行计算,并与纸靶坐标比对,验证了所提测量方案和测量模型的正确性与精确性。 本文所提出的三线阵CCD交汇测量方案与系统结构参数综合标定模型具有测量精度高,易于工程实现等优点,为一类高射频连发武器、双管武器等提供了测试方法及数据支撑。

关键词： 光纤传感   光纤光栅   压力传感器   有限元仿真   温度补偿  

摘要： 随着科技进步与时代发展,传感器已经广泛应用在各个领域。而光纤传感器凭借其体积小、结构简单、抗电磁干扰、易多路复用组成传感器网络、可以用于恶劣环境等优势,在近些年来逐渐成为学者们研究的热点对象。压力作为传感领域最常监测的物理量之一,也是石油化工、管道矿井领域最重要的监测参数之一。其所在的高温高压环境限制了传统电子传感器的稳定使用。本文基于光纤光栅轴向应变原理,提出了基于插芯封装的轴向应变传感的光纤光栅压力传感器,并对其进行了优化改良。最后针对该传感器结构进行了温度补偿式设计,对温度或压力的同时测量提出了一个可行的解决方案。本文的具体研究内容如下: （1）介绍了光纤传感领域的背景及发展现状,以及光纤传感器的研究现状和光纤光栅压力传感器的简单分类和原理介绍,以及近些年来的国内外研究现状。对光纤光栅的传感原理及本文会用到的解调技术原理进行了简要分析和阐述。 （2）设计了一种基于“I”形插芯结构的光纤光栅压力传感器,并使用有限元软件对传感器进行建模和可行性分析。传感器使用不同材料的圆柱形插芯作为传感元件,使用环氧树脂胶水对FBG进行封装。利用插芯受压时的轴向应变带动光纤光栅产生轴向应变。研究结果表明,压力量程0～25MPa,聚合物插芯的传感器在低压和高压环境下灵敏度都在-33pm/MPa左右,压力灵敏度波动值约为1.8%,性能良好;而金属插芯的传感器在高压环境下的响应性能优于低压环境,高压环境下的压力灵敏度达到了-8.28pm/MPa,而低压环境下的压力灵敏度为-6.93pm/MPa,其压力灵敏度波动值约为16.3%。两个传感器的温度量程分别为20～60℃和20～100℃,灵敏度分别为9.22pm/℃和14.14pm/℃。两种材料插芯制成的传感器都具有较高的线性度和稳定性。 （3）设计了一种基于“T”形插芯结构的光纤光栅压力传感器,其体积小、重量轻、结构简单。传感器使用不同材料的“T”形插芯作为传感部件,分别使用耐高温胶水和耐高温焊丝进行封装。该传感器的总长约40mm,最大外径约7.5mm。研究结果表明,该传感器压力量程为0～25MPa,两种材料插芯的光纤光栅压力传感器通过三次重复性实验后,在静压下的平均压力灵敏度值分别为-111.3pm/MPa和-19.58pm/MPa,重复性误差分别为3.2%F.S和3.5%F.S,线性度R均大于0.999,且稳定性良好;温度测量范围分别为20～100℃和20～300℃,其温度灵敏度分别为16.35pm/℃和29.21pm/℃。而当同时施加温度和压力时,传感器在不同温度下的压力灵敏度波动很小,响应稳定且灵敏。在动压响应下,金属材料插芯封装的压力传感器与两次脉冲压力标准值基本一致,测量误差分别为1.7%和2.7%;而在标准正弦压力响应中,能正确响应最高2000Hz的正弦压力频率,最大压力测量误差约在34%;最后在柴油发动机的缸压测试中,测得压力曲线与标准传感器测得基本一致,压力值误差约在4.7%。同时,通过振动测试测得该传感器谐振频率大于或等于20k Hz,冲击响应频率在15k Hz以内。所设计的传感器具有较高的线性度、重复性和稳定性。 （4）针对交叉敏感问题,对上述基于“T”形金属插芯式的光纤光栅压力传感器进行了温度补偿式设计。研究结果表明,该传感器的压力测量范围为0～30MPa,其温补后的压力灵敏度为-17.36pm/MPa,且线性度良好,重复性误差为4.1%F.S。