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《南开大学》 2005年
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工程化光纤光栅传感系统的设计与应用研究

杨亦飞  
【摘要】: 光纤光栅(fiber grating)作为一种新型的光无源器件,因其具有诸多独特的光学性质,使其在光通信和光传感领域有着非常广泛的应用前景。其中,光纤光栅在传感应用领域以其灵敏度高、动态范围大、长期可靠性好、抗外界干扰能力强、体积小、便于组成传感网络等特点,受到各国研究者的极大关注。尤其是近年来,有关光纤光栅的研究工作取得了很大突破。经过十几年的发展,目前应变、应力、压力、温度、位移、加速度等光纤光栅传感器已开始应用于桥梁、大坝、混凝土结构和钢结构建筑的施工检测,并在其运营的长期健康监测中得到了实际应用。此外,光纤光栅传感器在石化和电力的温度监测中也得到了实际应用。随着光纤光栅传感技术的不断发展与完善,光纤光栅传感器及其传感网络系统会获得更广泛的应用。 本论文的主要研究内容来源于国家科技部863计划课题资助项目、天津市重点科技攻关项目以及上海市科技项目,以解决布拉格光纤光栅传感技术在实际工程应用中的关键问题为研究重点,通过对光纤光栅传感理论和应用技术的研究,结合工程应用的具体要求对传感用布拉格光纤光栅的制作方法、工程化传感器研制、信号解调技术的开发进行了理论、实验和应用研究,取得了创新性研究成果。全文共分六章,主要内容包括: 第1章:比较系统地总结了光纤光栅技术原理、分类、应用以及发展状况和趋势,以布拉格光纤光栅为敏感基元,对其传感原理和传感理论的最新发展进行了分析和阐述。 第2章:系统阐述了光纤光栅三种理论分析方法:耦合模理论、传输矩阵法和傅氏变换法,对三种分析方法的内容和特点进行了较为全面的总结。对均匀光纤光栅、长周期光纤光栅、啁啾光纤光栅、Tapered光纤光栅、Morié光纤光栅、Blazed光纤光栅、相移光栅、超结构光栅等几种典型的光纤光栅的折射率分布特点、反射谱特性进行了模拟和分析。 第3章:结合光纤光栅制作基本方法,系统研究了达到产品化性能要求的布拉格光栅制作的关键技术:如光纤的预处理技术、波长控制技术、切趾技术等。采用关键技术,传感用光纤光栅波长的最大拉伸量达到10nm;自行开发出一种新颖的调谐机构,使光纤光栅波长调谐范围达到40 nm,该成果处于国际领先水平;使用自行开发的切
【关键词】:
【学位授予单位】:南开大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TP212.14
【目录】:
  • 摘要4-7
  • Abstract7-12
  • 第一章 绪论12-33
  • 1.1 光纤光栅技术的发展概况12-15
  • 1.1.1 光纤光栅技术原理及优点12-13
  • 1.1.2 光纤光栅技术发展历程和趋势13-15
  • 1.2 光纤光栅的分类及其应用15-24
  • 1.2.1 光纤光栅分类15-19
  • 1.2.2 光纤光栅应用19-24
  • 1.3 光纤光栅传感技术特点和理论发展24-30
  • 1.3.1 光纤光栅传感技术特点24-25
  • 1.3.2 光纤光栅传感器理论的最新进展25-30
  • 1.4 本论文研究的主要内容30-32
  • 1.5 本文的创新点32-33
  • 第二章 光纤光栅理论分析及模拟33-52
  • 2.1光 光纤光栅理论分析方法33-41
  • 2.1.1 光纤光栅的共振波长33-34
  • 2.1.2 光纤光栅的耦合模分析方法34-35
  • 2.1.3 传输矩阵法35-39
  • 2.1.4 傅氏变换法39-41
  • 2.2 光纤光栅典型光谱分析41-51
  • 2.2.1 均匀光纤光栅41-44
  • 2.2.2 长周期光纤光栅44-46
  • 2.2.3 啁啾光纤光栅46-47
  • 2.2.4 Tapered 光纤光栅47-48
  • 2.2.5 Morié光纤光栅48
  • 2.2.6 Blazed 光纤光栅48-49
  • 2.2.7 相移光栅49-50
  • 2.2.8 超结构光栅50-51
  • 2.3 小结51-52
  • 第三章 光纤光栅制作技术研究52-72
  • 3.1 光纤的预处理技术研究52-55
  • 3.1.1 光纤的光敏性和载氢技术52-54
  • 3.1.2 涂敷层与包层处理技术54-55
  • 3.2光 光纤光栅写入技术55-61
  • 3.2.1 典型的光纤光栅写制方法55-58
  • 3.2.2 组合写入法58-59
  • 3.2.3 光纤光栅工业化生产工艺的研究59-61
  • 3.3光 光纤光栅波长控制技术研究61-67
  • 3.3.1 光纤光栅波长的温度补偿技术61-62
  • 3.3.2 光纤光栅中心波长的永久性改变62-64
  • 3.3.3 光纤光栅的波长调谐技术64-67
  • 3.4 光纤光栅的切趾技术研究67-71
  • 3.4.1 光纤光栅切趾方法67-70
  • 3.4.2 光纤光栅切趾应用70-71
  • 3.5 小结71-72
  • 第四章 工程化光纤光栅传感器的研究72-105
  • 4.1 光纤光栅传感原理概述72-76
  • 4.1.1 光纤光栅传感基本原理72-73
  • 4.1.2 光纤布拉格光栅的温度传感原理73-74
  • 4.1.3 光纤布拉格光栅的应变传感原理74-76
  • 4.2 工程化光纤光栅传感器的设计76-86
  • 4.2.1 工程监测对光纤光栅传感器要求76
  • 4.2.2 工程化光纤光栅传感器件设计思路76-86
  • 4.3 工程化光纤光栅传感器的制作86-104
  • 4.3.1 工程化光纤光栅钢筋计的制作86-91
  • 4.3.2 工程化光纤光栅埋入式应变传感器的制作91-96
  • 4.3.3 工程化光纤光栅温度传感器的制作96-104
  • 4.4 小结104-105
  • 第五章 工程化光纤光栅传感解调仪研究105-125
  • 5.1光 光纤光栅传感解调技术介绍105-108
  • 5.1.1 非平衡 M-Z 干涉仪解调法105-106
  • 5.1.2 可调谐 F-P 滤波器解调法106-107
  • 5.1.3 光纤环镜干涉解调法107
  • 5.1.4 匹配 FBG 滤波解调法107-108
  • 5.1.5 可调谐激光器解调技术108
  • 5.2 工程化光纤光栅传感解调的要求108-109
  • 5.3 工程化光纤光栅解调仪设计思路109-120
  • 5.3.1 工程化光纤光栅解调仪原理图109-110
  • 5.3.2 原理说明110
  • 5.3.3 模块分解110-116
  • 5.3.4 软件流程116-120
  • 5.4 光纤光栅解调仪实例120-124
  • 5.4.1 FONA-2010 光纤光栅网络分析仪120-122
  • 5.4.2 FONA-5064 光纤光栅网络分析仪122-124
  • 5.5 小结124-125
  • 第六章 光纤光栅传感系统工程化应用研究125-155
  • 6.1 光纤光栅传感工程化应用简介125-130
  • 6.1.1 光纤光栅在民用结构中的应用126-127
  • 6.1.2 光纤光栅在航空航天业中的应用127-128
  • 6.1.3 光纤光栅在船舶航运业中的应用128-129
  • 6.1.4 光纤光栅在电力工业中的应用129
  • 6.1.5 光纤光栅在其他领域的应用129-130
  • 6.2 光纤光栅传感在PC桥梁施工监测中的应用130-142
  • 6.2.1 PC 桥梁移动模架施工监测研究130-135
  • 6.2.2 南京长江三桥南引桥移动模架法施工FBG 监测研究135-142
  • 6.3 其他应用实例142-153
  • 6.3.1 光纤光栅传感技术在江阴长江公路大桥的健康监测142-145
  • 6.3.2 光纤光栅传感技术在中关村金融中心的应用145-149
  • 6.3.3 光纤光栅传感技术在白泥井隧道的应用149-151
  • 6.3.4 光纤光栅传感技术在黄岛油库油罐消防安全监测中的应用151-153
  • 6.4 小结153-155
  • 总结155-157
  • 参考文献157-164
  • 攻读博士学位期间完成的论文164-165
  • 致谢165

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