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1、哈尔滨工程大学 硕士学位论文 强度调制光纤传感器数值模拟与仿真 姓名：姜宇 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：苑立波 20030601 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本课题主要对反射式强度调制型光纤传感器进行数值模拟和仿真。通过 模型化、数字化方法建立传感单元的数学模型，再利用矩阵进行空间和成像 交换，最后实现模拟数据的可视化输出。模拟量的直观表达对使用和设计人 员具有明显的辅助作用。 本文着重讨论了建立传感单元模型，模型数字化，四阶矩阵表述形式下 的空间和成像变换，软件的编制方法等几方面关系到光纤传感C A D 的具体 理论问题。并对几种典型传感器的模拟曲线及其规律进行了分析
2、和总结。 通过对其规律性进一步深入研究，初步找到了一种简便快捷的通用模拟 算法，编制了具有一定实用性的光纤传感C A D 软件，实现了对光纤传感器 的数值模拟和仿真。 关键宇：光纤传感器、数值模拟、矩阵、变换 哈尔滨工程大学硕士学位论文 A B S T R A C T h n 。c t i V em t e n s i t yt y p em 删a t i n gf i b e ro p t i cs e n s o r sa r cs i n n d a t e da n d 锄l l l a 由e di nK sp r o j e c t F i r s t l y ，d i o t i
3、z i n gm o d e lo fs s i n gu n i t si se s t a b l i 斓b y t h em e t l l O d o l O 盯o fm a ：I h e m a t i c a lm o d e l I k 弛t h e 、r i s u a ld a t aa n ds 砌a t i o n r e 幽a r co u t p mb yw a yo fm a r xs p a c ea n di l n a g c t r a n s f o r m i n g T h e v i s u a l i z a t i o no ff i b e r
4、o p t i cs c n s o rs i m l l l a d O nr e s I l l t si sv e r yu f I l la n dh e l p f u lf o r t h e u s c r a n d d e s i 驴眈 B a s e do nt h ei I I 岫陷i 毋t y p ef i b e ro p t i cm o d l l l g 妇lt e c h n i q u e ，t h ep r i n c i O eo f f i b e r 删c n s o rC A D i sm a i n l yd i s c 璐s e di nd e
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8、e ro p t i c a l n s o r , s t i m l l l a d o n ，m a t r i x ，t r a n s f o r m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：毖 日期：；年莎月劲日 哈尔滨工程大学硕士
9、学位论文 第一章绪论 1 1 光纤传感器发展历史、现状及分类 光纤与激光、半导体光检测器一样，是一种新兴的光学技术，形成了光 电子学新的领域，是2 0 世纪后半期的重大发明之一，以光纤作为信息传输介 质的光纤通信，自1 9 7 0 年世界上第一根2 0 d B k m 的光纤在美国问世以来， 得到了广泛的重视和发展“2 1 。短短的十几年就从实验室走向实用化，现在正 在形成产业，社会、经济效益与日俱增。 传感器技术是8 0 年代最具代表性的新兴技术之一。目前，传感器已被 广泛应用于国防军工，工、农业生产，环境保护，生物科学，计量测试，交 通运输，自动控制和家用电器等各个领域“”。在信息时代，随
10、着人类的认 识、活动范围在空间和时间上将向无限、极端和崭新领域拓展，开发、研制 能传感各种强、高、弱、微和边缘效应的传感器已成为各种新兴领域、关键 工程的出发点和突破口。这些新兴领域和关键工程的突破将给人类科学技术 带来不可估量的进展，产生巨大的经济效益。因此，传感器已经成为现代科 学技术开拓的先锋。 光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。在光通信系统 中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传 输的光信号受外界干扰越小越好。但是。在实际的光传输过程中，光纤易受 外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光 波参数如光强、相位、频率、偏
11、振、波长等的变化”“”。因此，人们发现 如果能测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的 大小，于是产生了光纤传感技术。 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如灵敏度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 高，抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便于与计 算机联接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。 光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。功能型光纤传感器是 利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器，或 全光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化， 光纤仅作为传输介质，传输来自远外或难以接近场所的光信
12、号，所以也称为 传光型传感器或混合型传感器“”1 。 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相 位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长( 颜色) 调制光纤传感器“1 。 强度调制光纤传感器是最早发展起来的一种光纤传感器，目前也较为成 熟。其基本原理是待测物理量引起光纤中的传输光光强变化，通过检测光强 的变化实现对待测量的测量。而接收光纤所收集到的光强随外界物理扰动而 变化，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据，大多与光纤出射光场 相关“”。因而，光纤出射光场的场强分布对于这类传感器的分析与设计至关 重要。本课题正是以数值分析为手段解决这一问题，
13、因而具有一定的理论和 现实意义。 1 2 数值模拟软件目的、意义 正是因为强度调制光纤传感器发展较早，也较为成熟，前人在此方面已 经取得了较多的成果，发展起了较为成熟和系统的理论，也就为我们对此进 行进一步的数值模拟和仿真研究奠定了坚实的理论基础和大量的研究素材。 这主要体现在两个方面，即纤端光场的理论公式不断完善和对强度调制光纤 传感器设计规律的认识的不断深入。前者使仿真的结果更加符合实际，后者 让我们仿真的对象更加丰富，也使我们更进一步地从各式各样纷繁复杂的传 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 感器中找到共性，使一个较为普适的模型，通用的算法找到了它赖以生存的 土壤。 在对强度调制光纤传感器
14、的数值模拟和仿真过程中，以前大多是针对某 个或特定的一类传感器建立理论模型进行模拟和仿真。而理论基础、实践经 验等各条件已经成熟的情况下，我们更希望建立起一个能够描述大多数强度 调制光纤传感器的理论模型和算法，并进一步物化为软件，作为光纤传感器 设计、开发、使用人员的得力助手。因为强度调制光纤传感器数值模拟软件 的开发和应用，从辅助设计角度讲可以降低研发成本，缩短设计周期，也可 以在一定意义上完善设计方案；从模拟试验方面说，它可以充当理论与实践 之间的桥梁，使复杂抽象的理论公式变成简单形象的图像与曲线，易于设计 人员理解，同时也将在一定程度上改善对实验数据定性或半定量的分析；另 外，在某种意义
15、上，把直观的图像摆在应用者的面前，也会使对光纤传感器 的教学产生一定有益的影响。 虽然与实际系统比较，数值模拟与仿真软件不可避免的存在一定的差异。 但是，它也有着一些不可或缺的长处。 隔离器 反射镜 4 探测器 图1 1 同一位置发射接收的反射式传感器原理图 倒如图1 1 所示的同一位置发射接收的反射式传感器，在实际情况中要 实现发射光纤和接收光纤严格处于同一位置，就得用到一个耦合器，若光源 采用激光光源，还得加上一个隔离器以免光源的模式受到干扰。这样一来， - 3 - 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不但增加了成本，而且使系统更加复杂化了，引入了一些不确定的因素。而 在虚拟的软件环境下，无需考虑
16、两者是否重叠，只需要把两者的坐标设成一 致，更能直接的接触到这个问题的物理本质，也更方便，更简单。 另外，我们在设计和使用强度传感器时，如何对准始终是个不小的难题， 而且有些时候对准所带来的问题并不仅仅是误差，甚至会造成实验结果和我 们预测的理论模型大相径庭。因为传感器单元在空问一般有6 个自由度，常 用的光纤由于有了轴对成性还有5 个自由度，既是对称性最好的平面镜和圆 球也有3 个自由度。而光强的变化一般不大，如果我们事先考虑的次要因素 过于复杂，即它的灵敏度接近甚至超过主要因素的话，就会造成结果的不可 预知性，看似没有规律。而事先通过软件的模拟，就可以傲到理论上的完全 对准，排除次要因素的干扰，帮助我们预测正确的实验结果。也可以通过预 设一些不对准的因素，来预测各种干扰因素的影响大小，帮助我们在实验中 把主要精力放在关键问题上，进而节省时间和精力，也会提高传感器设计的 水平。 1 3 本课题的研究目标及实现方法 本课题的主要研究内容和实现目标有： l 、强度型光纤传感器数值模拟和
