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《哈尔滨工程大学》 2005年
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基于荧光光纤光栅的应变与温度同时测试技术

孙伟民  
【摘要】:光纤光栅作为一种重要的光子学器件,在光纤通信及光纤传感等领域均获得了非常广泛的应用。根据实际应用领域及应用环境的不同,人们设计了各种不同结构、不同性能的光纤光栅,也发展了各种各样的光纤光栅制作与解调技术。光纤光栅可以进行应变、温度、压力、位移、浓度等多种物理及化学参量的测试,已经成为各种智能结构的重要组成部分。光纤光栅的这种多重敏感性导致了多参量的交叉敏感问题,尤其是在工程实践中经常遇到的温度与应变的交叉敏感问题。应变检测是光纤光栅传感器应用最为活跃的领域,而在实际测试环境中,温度对应变测量的影响是不可避免的。人们尝试了多种手段来实现温度与应变的分离。 光纤荧光传感器广泛应用于温度测量、浓度检测及pH值检测等领域,其传感参量包括荧光强度、荧光强度比和荧光寿命等。其中荧光寿命测量方法由于与泵浦光强度无关,又不需要昂贵的窄带滤波片,是一种非常有效的检测手段。 本文使用了一种结合了光纤光栅与荧光光纤传感器优点的新型光子学器件——荧光光纤光栅进行温度及应变的同时测量。在理论及实践方面主要从事了以下几个方面的研究: (1)本文在讨论几种常见的光纤光栅传光理论的基础上,对荧光光纤光栅的传光理论进行了讨论,尤其对合一式荧光光纤光栅提出了一种新的理论分析方法——荧光叠代法,并给出了仿真结果。 (2)本文在比较了各种光纤光栅制作方法的基础上,提出了采用连接荧光光纤与光纤光栅或采用在载氢荧光光纤上刻制光纤光栅的方法制作荧光光纤光栅的实验方案,并实际制作了几种不同结构的荧光光纤光栅用于温度及应变同时测量。
【关键词】:同时测量 应变 温度 荧光传感器 光纤光栅
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TN253
【目录】:
  • 表格清单11-12
  • 插图清单12-17
  • 第1章 绪论17-45
  • 1.1 光纤光栅的诞生18-19
  • 1.2 光纤光栅传感器的应用领域19-35
  • 1.2.1 光纤光栅传感器在应变检测中的应用19-27
  • 1.2.2 光纤光栅传感器在温度测量领域中的应用27-28
  • 1.2.3 光纤光栅传感器在其它领域中的应用28-35
  • 1.3 光纤光栅应变、温度同时检测技术研究现状35-40
  • 1.3.1 利用双布拉格光纤光栅测量系统进行变量分离36-37
  • 1.3.2 长短光纤光栅组合系统实现变量分离37-40
  • 1.4 荧光传感器研究现状40-42
  • 1.5 荧光光纤光栅的传感应用42-45
  • 第2章 光纤光栅传光及传感理论45-77
  • 2.1 光纤光栅种类45
  • 2.2 布拉格光纤光栅45-53
  • 2.3 长周期光纤光栅53-57
  • 2.4 惆啾光纤光栅57-59
  • 2.5 切趾光纤光栅59-61
  • 2.6 荧光光纤光栅61-73
  • 2.6.1 级连式荧光光纤光栅光谱分析61-63
  • 2.6.2 间互式荧光光纤光栅光谱分析63-65
  • 2.6.3 合-式荧光光纤光栅光谱分析65-73
  • 2.7 光纤光栅对温度及应变响应分析73-75
  • 2.7.1 光纤光栅温度响应74
  • 2.7.2 光纤光栅应变响应74-75
  • 2.8 本章小结75-77
  • 第3章 各种光纤光栅制作方法比较及荧光光纤光栅制作研究77-109
  • 3.1 光纤光栅制作方法综述77-97
  • 3.1.1 光敏光纤的制备77-78
  • 3.1.2 制作光纤光栅所用的光源78-79
  • 3.1.3 布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating)的制作79-84
  • 3.1.4 长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating)的制作84-89
  • 3.1.5 啁啾光纤光栅(Chirped Fiber Grating)的制作89-94
  • 3.1.6 切趾光纤光栅(Apodized FBG)的制作94-97
  • 3.2 荧光光纤光栅的制作97-108
  • 3.2.1 荧光光纤光栅的制作系统及设计方案97-102
  • 3.2.2 荧光光纤光栅耐温测试及退火处理102-105
  • 3.2.3 荧光光纤光栅测试样品及对应光谱特性105-108
  • 3.3 本章小结108-109
  • 第4章 荧光寿命的测量方法研究109-133
  • 4.1 荧光温度测量系统及其应用领域109-110
  • 4.2 荧光寿命测试方法研究现状110-113
  • 4.3 荧光寿命的快速傅里叶变换(FFT)拟合法113-117
  • 4.3.1 拟合理论113-115
  • 4.3.2 随机误差的影响115-116
  • 4.3.3 本底信号的影响116-117
  • 4.4 荧光衰减曲线修正方法研究117-123
  • 4.4.1 荧光衰减曲线修正的必要性117-120
  • 4.4.2 荧光衰减曲线修正方法120-123
  • 4.5 加权对数(Weighted log-fit)拟合方法123-131
  • 4.5.1 拟合理论124-127
  • 4.5.2 计算机仿真、实验与结果127-131
  • 4.6 本章小结131-133
  • 第5章 荧光光纤光栅用于温度应变同时测量133-157
  • 5.1 实验测量系统133-134
  • 5.2 测试样品及光谱134-137
  • 5.3 荧光光纤光栅温度、应变同时测量原理137-139
  • 5.4 实验数据及分析139-156
  • 5.4.1 样品1的测试结果139-143
  • 5.4.2 样品2的测试结果143-144
  • 5.4.3 样品3的测试结果144-146
  • 5.4.4 样品4的测试结果146-151
  • 5.4.5 测量数据汇总及实验偏差的分析151-154
  • 5.4.6 荧光光纤光栅测试系统有效性说明154-156
  • 5.5 本章小结156-157
  • 结论与展望157-159
  • 参考文献159-175
  • 攻读博士学位期间发表论文及被检索情况清单(2001-2005)175-181
  • 致谢181-182
  • 声明182-183
  • 个人简历183-184
  • 联系方式184

【引证文献】
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2 程立伟;磁光光纤光栅的偏振相关特性研究[D];电子科技大学;2010年
3 李崇真;磁光光纤光栅的双折射特性与磁可调性研究[D];电子科技大学;2011年
4 魏文星;基于ARM的嵌入式光纤光栅振动检测系统[D];山东大学;2010年
5 程洁琳;基于变迹光纤光栅的慢光孤子特性理论研究[D];北京邮电大学;2011年
6 姜旭;基于LabVIEW的电力测温软件系统的设计与实施[D];北京邮电大学;2010年
7 赵玲君;光纤光栅传感器交叉敏感问题的研究[D];江南大学;2011年
8 万贤杰;基于可调谐光源的光纤光栅温度监测系统在电网上的应用[D];中国科学技术大学;2011年
9 张丽莹;基于光纤光栅的加速度传感技术[D];黑龙江大学;2010年
10 陈琳;基于光纤光栅的旋转叶片变形监测方法与系统研究[D];武汉理工大学;2011年
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