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研究生:張堯盛
研究生(外文):Yau Sheng Chang
論文名稱:光干涉感測儀暨訊號處理在量測系統之研究與應用
論文名稱(外文):The Studies and Applications of the Optical Interferometric Measurement Systems and Their Signal Processing Techniques.
指導教授:張明文;簡碧堯
指導教授(外文):Min Wen Chang;Pie Yau Chien
學位類別:博士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:光電(科學)研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1996
畢業學年度:84
語文別:中文
論文頁數:255
中文關鍵詞:干涉儀頻率調變連續波光纖陀螺儀訊號處理
外文關鍵詞:InterferometryFMCWFOGSignal Processing
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本研究係以半導體雷射為光源,建立不同的光學架構或光纖感測系統以量
測實驗場中的物理量---位移、速度、溫度、振動。光干涉儀中的相位變
化非常靈敏,常因待測場條件的變化而有所不同,因此在本論文內,我們
提出新穎的訊號處理技術來檢測光的相位變化,使其達到高精確度,良好
的線性度及寬動態範圍。我們利用FMCW技術,成功的建立同步量測位移暨
速度之三角波型邁克森干涉儀,正弦波型邁克森干涉儀,雙重調變式伺服
型頻差之雷射干涉儀。另外也建立了雙波長振動預壓干涉儀,溫度感測式
光纖陀螺儀等。論文中,應用相位調變技巧、分時技巧、鎖相迴路系統、
伺服控制迴路及相位補償迴路等電子電路技術,配以光學干涉系統,可量
測機械實驗場中的物理量,以達成光機電整合,這一直是我們的研究目標

This paper describes some novel optical domain reflecto- meter
which use a frequency-modulated single-mode semicondu- ctor
laser as the optical source. These new systems propose some
techniques for measuring the displacement, velocity,
temperature and vibration variations. The optical phase delay
of the light passing through an interferometer is influenced by
several factors , such as the optical path length difference ,
refractive index and wavelength of the light source. In this
dissertation , several new signal processing methods have
been developed for the detection of the optical phase
delay with hign accuracy , wide dynamic range , good
linearity and elimina- tion of noise. We report a FMCW approach
applied to a new triangular modulated interferometry and to a
sinusoidal phase-modulated interferometry for measuring
displacement and velocity simul- taneously. We describe some
novel signal processing applied to a double modulated
interferometry for measuring displace- ment, to a two-
wavelength fiber optics Michelson interferome- tric sensor for
detecting the vibration signal and to a FOG for senseing the
temperature signal. In this research , the phase modulated
technique , time-gating technique,phase lock loop system,servo
controlled loop and phase compensated loop technique are also
developed and implemented to detect the variation in our
experimental field in order to accomplish the integration
of optics, mechanics and electronics.
封面
中文摘要
英文摘要
誌謝
目錄
第一章 緒論
第二章 三角波型頻率調變之雷射干涉儀在位移和速度同時量測之研究
2.0 摘要
2.1 研究背景與動機
2.2 理論探討
2.2.1 三角波為注入電流時,頻率調變半導體雷射之原理
2.2.2 位移場及速度場如何建立
2.2.3 半導體雷射型邁克森干涉儀之光學原理
2.2.4 光頻率調制雷射二極體時,光干涉項之相位變化
2.2.5 同步量測位移和速度之原理
2.2.5.1 同步量測基本原理
2.2.5.2 速度α=0之量測位移之原理
2.2.5.3 速度α≠0且 f1+f3>f2+f4之同步量測原理
2.2.5.4 速度α≠0且 f1+f3<f2+f4之同步量測原理
2.2.5.5 速度α≠0且 f1+f3=f2+f4之同步量測原理
2.3 實驗設計
2.3.1 系統設計
2.3.2 光學系統設計
2.3.2.1 半導體雷射
2.3.2.2 collimating lens
2.3.2.3 光隔絕器
2.3.2.4 λ/2波板
2.3.2.5 偏極分光鏡鎮
2.3.2.6 λ/4波板 街
2.3.2.7 鏡子
2.3.2.8 柱偏極鏡
2.3.3 雷射二極體定溫定電流驅動電路設計
2.3.3.1 雷射二極體定電流驅動電路設計
2.3.3.2 雷射二極體定溫控制電路設計
2.3.4 檢光器之電路設計
2.3.5 計頻器之電路設計
2.4 實驗結果與分析
2.4.1 初始位移及三角波調整振幅β之量測
2.4.2 f1+f3>f2+f4時,位移與速度之同步量測
2.4.3 f1+f3<f2+f4時,位移與速度之同步量測
2.4.4 速度的極性如何判別
2.5 討論與建議
2.6 參考文獻
第三章 正弦波型頻率調變之雷射干涉儀在位移和速度同時量測之研究
3.0 摘要
3.1 研究背景與動機
3.2 理論探討
3.2.1 正弦波為注入電流時,頻率調變半導體雷射之原理
3.2.2 位移場及速度場如何建立
3.2.3 半導體雷射型邁克森干涉儀之光學原理
3.2.4 光頻率調制雷射二極體時,光干涉項之相位變化
3.2.5 同步量測位移和速度之原理
3.2.5.1 同步量測基本原理
3.2.5.2 速度α=0之量測位移之原理
3.2.5.3 速度α≠0且 f1+f3>f2+f4之同步量測原理
3.2.5.4 速度α≠0且 f1+f3<f2+f4之同步量測原理
3.2.5.5 速度α≠0且 f1+f3=f2+f4之同步量測原理
3.3 實驗設計
3.4 實驗結果與分析
3.4.1 初始位移及正弦波調整振幅Vm之量測
3.4.2 fb>fs時,位移與速度之同步量測
3.4.3 fb<fs時,位移與速度之同步量測
3.4.4 速度的極性如何判別
3.5 討論與建議
3.6 綜合分析
3.7 參考文獻
第四章 光纖陀螺儀在溫度感測之研究
4.0 摘要
4.1 研究背景與動機
4.2 理論探討
4.2.1 相位調變式(PM)的光纖陀螺儀(FOG)原理
4.2.2 靜態FOG之相位調變原理
4.2.3 具索零階函數J0(ψ)近似餘弦函數cosKsψ証明
4.2.4 具索零階函數二次相位調變及解調技術
4.2.5 溫度場中相位調變式的FOG之頻率追蹤及頻率穩定原理
4.2.6 積體光學式相位調變器(IOM)原理
4.2.6.1 折射率橢球
4.2.6.2 電光相位調變器
4.3 實驗設計
4.3.1 系統設計
4.3.2 光學系統設計
4.3.2.1 GaAlAs超光二極體(SLD)
4.3.2.2 光纖方向耦合器
4.2.3.3 單模光纖偏極器
4.2.3.4 積體光學式相位調變器(IOM)
4.2.3.5 光纖環
4.2.3.6 光纖接合技術
4.3.3 GaAlAs超光二極體SLD定溫下電流驅動電路設計
4.3.4 光接收電路設計
4.3.5 頻率追蹤鎖定之電子電路設計
4.3.6 溫度控制器設計
4.4 實驗結果與分析
4.4.1 溫度感測實驗
4.4.2 溫度感測之討論與分析
4.4.3 頻率穩定測試
4.4.4 頻率穩定之討論與分析
4.5 討論與建議
4.6 參考文獻
第五章 智慧型雙頻分工式光纖感測器在彈性樑振動抑壓之研究
5.0 摘要
5.1 理論背景與動機
5.2 抑壓振動樑之動態分析
5.2.1 樑的動態理論
5.2.2 抑壓時振動樑之動心分析
5.2.3 智慧型光纖感測器之系統架構
5.2.4 電流調變式DFB單模雷射之雙頻分工原理及PZT光纖相位調變原理
5.2.5 雙頻分工式光振動訊號,其合成外差之雙波長相位解調技術
5.2.6 合成相位差ψeff之動態分析
5.2.7 振動樑上光纖之光應變效應
5.2.8 回授控制與壓電片控制
5.3 實驗設計
5.3.1 系統設計
5.3.2 光學系統設計
5.3.2.1 DBF單模雷射
5.3.2.2 光纖隔絕器
5.3.2.3 偏極保持光纖耦合器
5.3.3 PZTM光纖相位調變器暨合成外差訊號技術
5.3.4 PZTC相位補償器暨PID控制器之迴路系統
5.3.5 振動場設計
5.4 實驗結果
5.4.1 單波長干涉與雙波長干涉之比較分析
5.4.2 雙波長干涉之動態範圍分析
5.4.3 合成外差訊號SL1及SL2之量測及解調結果
5.4.4 彈性樑抑壓振動實驗之時間響應
5.4.5 彈性樑振動實驗之頻譜變應
5.5 討論與建議
5.6 參考文獻
第六章 雙重調變式伺服型頻差之雷射干涉儀在位移量測之研究
6.0 摘要
6.1 研究背景與動機
6.2 理論探討
6.2.1 正弦波FMCW調變半導體雷射
6.2.2 三角波調變干涉儀之參考光路
6.2.3 鎖相及AM解調器之訊號處理
6.2.4 伺服型頻差之迴路控制
6.3 實驗設計
6.3.1 光學系統設計
6.3.2 位移場設計
6.4 實驗結果
6.4.1 頻頻Vm穩定性測試
6.4.2 不同位移時,鎖相迴路之輸出振幅變化
6.4.3 自我混波之Am解調電路輸出變化
6.4.4 環境及雜訊所造成相漂移之比較測試
6.4.5 平均光強度I0穩定性測試
6.4.6 靈敏度測試
6.4.7 位移量測實驗
6.4.8 弦波位移量測實驗
6.5 討論與建議
6.6 參考文獻
第七章 結論與展望
7.1 結論
7.2 展望
其他
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