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光纤光栅制备及传感应用研究

倪凯  
【摘要】:光纤光栅传感技术是传感领域近年来兴起的一个新的发展方向。光纤光栅传感器具有灵敏度高、结构小巧、不受电磁干扰、易于构成光纤传感网络等优点,广泛应用于土木工程、石油电力、航天航空、地震监测、海洋探测、医学检测及生物化学等众多领域。本论文对光纤Bragg光栅的基础理论、传感机理、实验制备及传感应用等进行了系统和深入的研究,分析了传统的光栅制作技术,并对我们所使用的光纤光栅制作系统进行了阐述,并对光纤Bragg光栅在倾斜传感器、压力传感器中的应用,啁啾光纤光栅在加速度传感器中的应用做了详细的分析研究,同时探讨了光纤光栅在应力与温度检测中的交叉敏感问题。 结合本实验室的技术和设备条件,用倍频氩离子激光器结合相位掩模法制备了系列光纤Bragg光栅,用CO2激光器结合逐点写入法制备了长周期光纤光栅。利用传输矩阵法和耦合模原理,对长周期光纤光栅和光纤Bragg光栅的传感特性进行了研究。并利用实验室制备的光纤Bragg光栅进行了应力(包括轴向应力和横向应力)、温度等传感实验研究。 提出了两种新的单光纤光栅解决交叉敏感问题的设计,利用一根光纤光栅实现了应变和温度的同时测量且制备方法简单。方法一是将环氧树脂胶水涂抹于光纤光栅的一半的部分,并套上金属套管。此时两部分光纤光栅由于具有不同的等效杨氏模量和热膨胀系数,对温度和应变的响应不同,通过监测两部分Bragg波长的变化可实现应变和温度同时测量。方法二是使用氢氟酸对FBG的一半进行化学腐蚀,使其变细,则FBG的两部分具有不同的应力灵敏度,而他们的温度灵敏度仍保持相同。因此,监测两部分光栅Bragg波长的变化可实现应变和温度同时测量。 研究了一种新型的基于悬挂结构的光纤Bragg光栅倾斜传感器,由一个通过四根等长的刻有光栅的光纤悬挂一重物组成,光纤与悬挂光纤的圆盘的粘接点均匀分布在圆盘边缘,因此,每一对具有对称位置的光纤光栅可以感知它们所属平面的倾斜,可用来测量平面内两维方向的倾斜角度,且无需附加的温度补偿装置即可消除环境温度的影响。 研究了一种新型的基于啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)的加速度计。该加速度计是将单根FBG斜向粘贴在一根直角三角形悬臂梁的侧面上、并在悬臂梁的自由端固定重物构成的。垂直的加速度施加于悬臂梁,沿着悬臂梁的长度引起弯曲,产生的梯度应变场将FBG啁啾化,其反射带宽线性响应于所施加的加速度。由于温度仅改变FBG的布拉格波长,而对其反射带宽几乎没有影响,所以该加速度计对温度变化不敏感。 提出了一种强度解调的基于拉锥光纤的FBG加速度传感器,并进行了实验验证。将一个单模光纤拉锥后连接一个FBG,由于光纤锥区的损耗对弯曲非常敏感,当加速度导致光纤弯曲时,FBG反射的光功率将随着加速度的增大而减小。因此,测量FBG反射的光功率即可获得加速度的变化信息。实验结果证实,反射光功率值与加速度值是成线性比例关系的。我们实现了动态的振动测量。这种光功率检测方法减少了传感系统的成本和复杂性。


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