Sagnac干涉型光纤电流传感器的研究.pdf

摘要摘要本文对近年来光纤电流传感器的研究进展进行了综合评述;对Sagnac型光纤电流传感器进行了深入的理论研究,建立了完整的系统理论模型:对影响传感器测量准确度的各种因素进行了全面的理论分析和仿真研究,得到了这些影响因素对系统响应的作用规律:对传感器系统的功能部件进行了设计,提出了一种新的产生圆偏振光的方法,并对利用3x3光纤耦合器实现干涉系统的无源相位偏置进行了理论探讨,建立了相应的系统模型;设计了传感器的电子电路系统,以此为基础对系统进行了初步的实验研究。首先,利用偏振系统的Jones矩阵分析法,考虑系统中起偏器透光轴方向误差、相位延迟器延迟误差、以及相位延迟器快(馒)轴方向误差等各种可能影响测量准确度的因素,建立了完整的传感器系统理论模型,分析了传感光纤存在线性双折射情况下各种误差源对系统响应的作用规律:对模型中的各种参量对测量准确度的影响进行了仿真研究,从理论上得到了反映影响规律的曲线及典型误差数据。从仿真结果来看,系统响应误差随起偏器透光轴方向误差、两个延迟器快(慢)轴不重合误差、相位延迟器延迟误差等增大而增大:与其它误差源相比,固有圆双折射对系统误差影响较小:各因素对系统误差的影响与传感光纤线性双折射密切相关,线性双折射愈大,各因素的影响愈明显:线性双折射不能超过7【,这是传感光纤线性双折射的一个特征值:线性双折射是影响系统测量误差的主要因素,如果系统没有线性双折射,则其它误差源的影响将容易预测和处理。其次,对系统涉及的两种关键功能部件一九/4相位延迟和相位调制(偏置)器的设计进行了理论探讨。提出一种利用保偏光纤扭转实现3,/4相位延迟的设计方案,从理论上证明了在保偏光纤中传播的线偏振光,通过将出射端1/2拍长的光纤扭转90。,可以转换成圆偏振光:对利用3x3耦合器实现无源相位偏置进行了理论分析,针对本文的传感器结构建立了相应的数学模型,仿真分析了3x3耦合器参数对传感器灵敏度的影响舰律。研究表明,偏置相位的大小取决于3x3耦合器的耦合比,在一定的分光比条件F,·刁’以获得最佳偏置,实现小信号的高灵敏度测量。通过计算,得到了一组实现最佳灵敏度时耦合器应该具有的耦合比值。最后,设计了包括激光器驱动电路、前置放大电路及带通滤波器等的系统电子电路部分,以此为基础对理论模型进行了初步的实验研究。分析了实验系统的测量燕山人学【学搏十学能论文灵敏度,得到了测量值和被测电流之间的关系式;对系统噪声进行了理论分析,给出了理论估算值;利用实验中获得的数据画出了与理论值对比的输入输出特性曲线。实验结果初步证明了理论模型的『F确性,但测量值稳定性和线性都比较差,距离实际应用还有较大差距。从系统输出来看,电磁兼容性干扰是信号噪声的主要来源,远大于理论估算的噪声电平。本文的研究工作可望对Sagnac型光纤电流传感器的发展提供理论依据,为系统的实用化设计和产品研制提供一定的参考。关键词Sagnac效应;Faraday效应;光纤传感器;光纤干涉仪;光纤电流传感器双折射:九/4相位延迟器;相位调制器;起偏器;信号处理AbstractTheresearchachievementsoffiber-urrentsensors(Foes)·’,consideringallthefactorssuchastheeffectoftwodelayersaxescoincidenceerror,ircularbirefringenceetc.,whichwouldaffectthemeasuringprecision,