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关键词： 边坡监测   分布式光纤传感系统   弱光栅阵列   振动感知   应变锚杆  

摘要： 将分布式光纤传感技术应用于边坡监测是目前边坡灾害防治领域的研究热点之一。由于光纤本身具有高环境抗性,高电磁干扰抗性,耐腐蚀性等特点,因此分布式光纤传感系统常被用于危险环境下的传感检测。但由于传统单模光纤的后向瑞利散射光非常微弱,用于大规模边坡监测时,会限制系统的传感范围和传感灵敏度。为改善传统分布式光纤在边坡监测中存在的信号微弱,易受外界干扰的问题,本文提出以弱反射光纤光栅(Weak fiber Bragg grating,WFBG)中的反射光代替单模光纤中的后向瑞利散射光,并基于光栅光纤传感原理,双脉冲干涉模型,结合外差相干探测原理,搭建了基于弱光栅阵列的分布式边坡监测平台,同时对其振动感知,应变感知能力进行研究。主要内容如下: 对WFBG传感原理进行研究分析。通过对光栅耦合模型的理论推导,仿真得出了不同栅长及平均折射率变化的情况下的光栅反射光谱特性;通过对WFBG中存在的串扰及阴影效应的分析,得出了本文所用的光纤的理论光栅复用容量4800～5000,同时对弱光纤光栅的空间分辨率及灵敏度进行了理论分析;对双脉冲干涉模型,相敏感光时域反射原理以及外差相干探测原理进行了理论推导;构建了基于悬臂梁的应变锚杆理论模型。 搭建弱光栅阵列边坡监测系统实验平台。通过系统对振动信号的线性响应度,频率响应度的验证实验,证明了系统具有较高的振幅线性响应度,振动频率响应度以及信号分辨能力。针对应变锚杆进行了应变检测实验验证,得出应变管应变与反射光中心波长有较高的线性相关度,结果证明锚杆能够有效的检测坡体内部形变。最后通过对实验数据的实地采集证明了系统整体具有较好的稳定性。

关键词： 多参数光纤传感器   长周期光纤光栅   灵敏度系数   多参数矩阵  

摘要： 光纤传感器是一种利用光信号来捕捉目标物理量变化的传感器。它利用光纤传输光信号，并根据相关理论公式建立目标物理量与光信号之间的关系，以达到检测目标物理量的目的。随着人们生活水平的提高、工业自动化的不断发展以及科技信息的快速更新，光纤传感技术的探索与创新显得尤为重要。然而，由于光纤本身的硅材料存在热光系数和热膨胀系数的影响，光纤传感器对温度的响应通常是不可避免的。在需要测量除温度以外的其他物理量变化时，温度造成的干扰可能会导致测量不准确，从而影响结果的精确性。因此当使用单一参数的光纤传感器进行测量时，无法避免来自于其他环境因素的干扰，因此研究人员开始致力于研发和探索可同时测量双参数甚至多参数的光纤传感器。针对这些现存的问题，研究人员们做出积极的探索，付出许多努力，促使着基于光纤的多参数传感器不断更新迭代，其性能也不断提高，在众多领域具有极大的应用价值。所以，研制出一种制作成本低、灵敏度较高、结构简单的多参数光纤传感器，实现多参数测量是一件十分有价值的工作。本论文对此做出了以下工作:　　1.基于光纤包层模式以及纤芯模式的相互耦合，本文提出一种具有单个谐振峰的微锥形长周期光纤光栅(TLPG)。通过观察其透射光谱图，本文中制作得到的TLPG置于空气中时，所对应波长的谐振峰的消光比都高于15dB。经过折射率测试，其折射率灵敏度可以达到将近500nm/RIU。　　2.本文制作一种基于TLPG的多参数光纤传感器:级联微锥形长周期光纤光栅(CTLPG),通过将对于折射率、温度以及液位有着较好响应的TLPG传感器级联起来，可同时测量折射率、温度以及液位。首先研究TLPG1传感器在CTLPG传感器中的传感性能及其对其他两个TLPG传感器的影响，发现当TLPG1传感器自身的折射率、温度以及液位发生变化时，基本不会对其他两个TLPG传感器造成影响。之后进一步将TLPG2和TLPG3置于具有不同环境的变化之中，以模拟TLPG传感器在不同的环境同时变化及其对整个CTLPG的影响，这种实验设计可以测试出在不同的环境分布层之下,整个CTLPG表现出来的传感性能。　　3.最后，本论文根据所得出的CTLPG传感器灵敏度系数，构建多参数矩阵，完成对于多参数的测量。这在不同应用场景下的折射率、温度以及液位多参数的探测工作具有很好的潜在应用价值。本论文提出的CTLPG传感器有望应用于不同海洋深度之下的盐度和温度的监测。

关键词： 光栅光纤   高速解调   寻峰算法   传感检测  

摘要： 随着信息化时代的发展,工业中实现自动化的应用越来越多,例如自动检测设备运行状态,并通过远程软件进行参数配置、异常情况报警以及固件升级等功能。这些功能的实现离不开传感器和传感技术的应用。光纤传感技术以其良好的电绝缘性能和强大的抗电磁干扰能力而得到广泛应用。然而,在工业测量领域,比如对风机叶片的监测,需要采集变化频率高的风力和风向,这就需要解调系统具有较高的解调频率;由于风机叶片的尺寸巨大,需要使用较多的传感器进行多点同时监测。传统的光纤光栅解调系统在这种情况下存在应用局限性。因此,为了解决这一问题,本文研究了解调频率高、解调通道多的解调系统。 本文对光纤光栅传感器的工作原理进行了分析,并根据实际工程需求对多种传感器复用技术进行了分析,选择了波分复用和空分复用的混合复用技术。同时,对多种解调技术以及寻峰算法进行了分析,研究了它们的特点和适用情况。为了满足解调范围广、解调频率高的需求,本研究采用了可调谐法布里珀罗滤波解调方案。然而,传统的布里珀罗滤波器存在压电陶瓷蠕变、迟滞等特性,不适用于高速解调。因此,本研究采用基于MEMS振镜的可调光滤波器代替布里珀罗滤波器。MEMS振镜采用电磁驱动方式,当两端电压接近零时存在控制死区,导致输出波长与控制电压之间产生非线性误差,从而影响了测量精度。为了解决这一问题,本研究采用了标准具作为参考光路,并通过改进寻址方案对非线性误差进行了修正。针对温度变化会影响应力波长解调精度的情况,设计了温度补偿方案,以抵消温度对应力波长解调精度的影响。 根据解调系统的总体设计方案,进行了软硬件设计,选择了合适的光器件搭建光路系统;完成了解调系统控制电路板的设计,电路板采用ARM芯片作为主控,包含ADC信号采集模块、DAC驱动信号模块、网络通信模块、串口通信模块和运放电路等模块;编写了ARM驱动控制程序;完成了与解调控制电路板进行人机界面交互的软件,包含实时波长显示、实时光谱显示、参数配置和远程升级等功能。 通过静态性能测试,得到解调系统的波长解调精度为2pm,解调线性度为0.99937,解调稳定性为±3pm;使用动态性能测试平台测试后,解调系统的工作频率达到了100Hz。本文设计的解调系统解调精度、工作频率等均符合设计要求。

关键词： pc-LED   量子点   散射相函数   FDTD散射计算   蒙特卡洛分析  

摘要： LED作为当前最具价值的光源之一,在照明、显示、医疗、农业、通信等诸多领域具有广阔的市场发展空间。而量子点荧光粉被认为是提高pc-LED的显色指数、发光效率问题的关键技术。与传统荧光粉相比,量子点的发射光谱窄,可以提供特定波长的照明环境而减少能量分布于其他无用波段造成的能量损失,且发光波长较易调整,可以补充传统荧光粉无法覆盖的波段以提高LED器件的显色指数,然而,量子点同时也面临价格高、稳定性差等问题。同时,由于量子点荧光粉粒子相较于传统荧光粉尺寸小,在瑞利散射尺度,光线在荧光粉层中大量后向散射导致能量分散与损失。由此本论文致力于改善量子点pc-LED器件的能量损失问题,优化pc-LED器件的能量分布与出光效率。 为了研究量子点pc-LED的出光分布特性,本论文采用单个散射粒子对光线的散射结合蒙特卡洛光线追踪算法建立光电器件的光传输模型。模型包括根据LED结构图确定LED模型参数,根据LED光源朗博辐射体的特性编写算法随机生成出射角度满足余弦分布光线,考虑光子如何在LED模型中传输与损耗。其中具体研究了光在荧光粉层中的散射过程,结合Mie理论散射场解析解求解方法与FDTD电磁场数值求解方法,求解散射粒子的散射相函数。分析荧光粉层内散射粒子与分散介质折射率相近情况下的散射光强分布,发现当粒子尺寸较小时,发生瑞利散射,散射强度分布与相对折射率无关,而随着粒子尺寸增大到米氏散射范围,同样尺寸的粒子在折射率相差较大的分散介质中前向散射特性更为明显。并结合FDTD电磁场计算的数值求解方法,计算非球形量子点小粒子散射相函数与包裹量子点的二氧化硅球的散射相函数。仿真计算发现,量子点包裹二氧化硅后散射的能量约80%分布于前向,与之相比未做包裹的量子点小粒子散射光的能量只有50%左右分布于前向。并且发现,包裹在二氧化硅内的量子点几乎不会影响散射相函数,仅会增大散射粒子对光的吸收。之后根据本文建立的模型仿真计算发现,通过对量子点包裹,增大量子点荧光粉的尺寸,可以实现尺寸效应,提高pc-LED的出光效率并改变出射光能量分布。根据模型仿真计算发现,在散射系数一致的情况下,采用包覆二氧化硅的量子点荧光粉的LED相较于采用未包裹量子点荧光粉时光抽取效率可以提升53%,同时,可以使散射光10%左右分布于（60°,90°）的能量转移至（0°,60°）范围。 随后本文通过实验验证了仿真结果,采用热注射法合成全无机钙钛矿量子点CsPbBr3并包裹二氧化硅得到CsPbBr3@SiO2。将所制备的包裹二氧化硅厚度不同的CsPbBr3@SiO2量子点与紫外固化胶混合,采用传统封装方式制备多组pc-LEDs。光强分布测试显示,CsPbBr3@SiO2量子点荧光粉pc-LED的能量更向前向（0°,40°）集中,且能量分布的前向集中程度与加入APTES的体积有关即与包裹厚度有关。实验发现对每毫克CsPbBr3量子点加入300 ul APTES包裹二氧化硅时量子点pc-LED在光强分布出现最强前向性同时,也保持了最优的光抽取效率。 本文从仿真与实验两方面论证了,通过包裹量子点,改变量子点荧光粉的尺寸,可以有效优化光电器件的光强分布并提高器件的光抽取效率。

关键词： 鬼成像   关联函数   双缝干涉   干涉条纹   关联特性  

摘要： 关联成像和关联干涉现象是当今研究的热点之一,二者是与光场涨落相关联的新型关联技术。目前基于二阶关联函数大部分是对物体进行成像,而利用相干光的干涉性质在鬼成像的架构下使用一个桶探测器是能够出现干涉现象,且干涉现象能反映光场的相干性质,并且干涉现象对干涉测量方面有重要的意义,因此,以关联函数为基础考虑光波之间的干涉现象是十分必要的。 本文是在鬼成像的系统下,以关联函数为基础,研究光波之间的行为,分别从二阶关联函数和三阶关联函数及其再关联的角度分析了不同的干涉现象,并分别讨论了波长的变化、距离的不同导致的不同的干涉现象。首先对鬼成像的二阶关联函数进行了推导,并通过对二阶关联函数的理论模拟、干涉直接成像与鬼成像方式证明了此成像理论的可行性,为后续研究不同的干涉鬼成像作铺垫。由于二阶关联成像和三阶关联不同成像系统的特点,针对物体双缝在分束器前后位置的不同,通过改变光路中波长和双缝到探测器平面的距离,发现关联干涉条纹会因光路中不同的波长、不同的物面距离而出现不同的干涉现象,随着波长和距离的变大,干涉条纹间距变宽。在二阶双缝干涉的鬼成像中,当两条光路中选择不同波长时,数值仿真实验结果表明,关联信息受参考光路波长影响较大,信号光路中的波长对关联结果影响较小,因此,通过预设参考光路中的波长可得到所需要波长的关联图样,这为鬼成像在选择实验照明光源方面提供了一个参考。其次,对二阶关联函数再关联的干涉现象进一步分析和讨论,发现二阶关联函数在再次关联后表现的干涉条纹比双缝干涉成像的条纹宽。最后以三阶关联函数为基础,对三阶关联函数及其再关联的干涉现象进行了讨论,发现与在二阶关联中规律是一样的,波长和距离的变大也会使条纹间距变宽。 总的来说,在二阶关联成像和三阶关联成像的不同装置中,当光路中波长或者物体到探测面的距离变化时,会随之有不同的干涉现象。同时,这能够为未来应用到干涉测量等方面奠定良好的基础。