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光纤光栅传感系统的研究与实现

刘波  
【摘要】: 光纤光栅(fiber grating)是一种新型的光无源器件。它是利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布,其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为方式。除具有普通光纤的特性之外,它还具有一些独特的性质。光纤光栅的出现,使许多复杂的全光纤通信网络和传感网络成为可能,极大地拓宽了光纤技术的应用范围,并由此产生了许多重要的应用。作为光子研究领域的一种新兴技术,以光纤光栅为基本传感器件的传感技术近年来受到普遍关注,各国研究者积极开展有关研究工作。目前,已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有:温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等,其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。目前,以布喇格光纤光栅(FBG: fiber Bragg grating)为传感器件的传感器已成为研发主流。本论文主要以布喇格光纤光栅为研究对象,对其传感技术、解调技术以及网络技术进行了理论和实验的研究。主要内容有: 1.概括介绍了传感技术,特别是光纤传感和光纤光栅传感技术的发展及现状。介绍了光纤光栅的基本分析方法。分析了以光纤光栅传感作为基本传感器件的传感器的基本原理以及光纤光栅传感解调和复用技术的原理及应用。 2.以光纤光栅作为传感器件,设计制作了纤栅式多参数、多功能、分布式传感网络系统(AFSN-I型光纤光栅传感复用网络系统)。详细说明了其设计原理、系统结构以及测试结果。该系统的实际波长分辨率为0.0011nm,对应应变测量分辨率约为δε=1.0με,对应温度测量分辨率约为δT=0.03℃。 3.提出并设计完成了基于啁啾光栅的高速传感复用网络系统,结合边沿滤波技术,实现了传感光纤光栅的高速波长解调。文中分析了系统原理。该系统基于全光纤设计,利用啁啾光栅作为选频器件,实现了传感光纤光栅的高速波分复用解调。该系统已申请国家专利。 4.对高双折射光纤Sagnac环镜的理论进行了分析。利用此光纤环镜作为边沿滤波器件,研究了其在光纤光栅传感系统中的滤波特性,并在7nm的范围内实现了传感波长的线性解调。另外,以高双折射光纤Sagnac环镜作为传感元件,研究了高双折射光纤Sagnac环镜的全光纤强度型温度传感特性。在15℃的温度变化范围内,透射光强与待测温度的关系具有良好的线性度和重复性。实验测得环镜的温度灵敏度系数为0.92nm/℃。测量温度的分辨率可达0.03℃。 5.利用光纤光栅(FBG)作基本传感元件,设计制作了光纤光栅水听器传感


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