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《浙江大学》 2008年
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光纤光栅动态应力和折射率传感研究

陈哲敏  
【摘要】: 本论文的研究内容主要围绕于光纤光栅动态测量和折射率传感及其相关的应用。近年来,随着光纤光栅研究的快速发展,光纤光栅传感也从最开始的简单的温度应力传感向更高精度的传感和更大范围的传感应用这两个方向发展。本文从光纤光栅的基本理论出发,对光纤光栅在动态应力的高精度测量以及光纤光栅传感应用的扩展方面进行了详细的理论和实验研究。研究的主要内容如下: 提出了基于分层法的随机应力分布的重构算法。模拟并分析了不均匀应力对光纤光栅光谱的影响。从光纤光栅分层法出发,设计了时域截断和离散矩阵法的应力重构算法。这两种算法均准确地实现了随机应力分布的重构。 设计并实验验证了高精度的动态应力测量系统。以悬臂梁的自由振动为实验对象,分别以DWDM和温控光纤光栅为滤波器,测量悬臂梁的谐振谱,并将其与传统的振动测量方法进行了比较。结果表明该传感系统高精度地实现了振动的测量。 将光纤光栅应用于激光溶血栓的实验过程监视。理论分析了激光在溶血栓过程中的物理现象,提出了以光纤光栅测量冲击波方式来监视激光溶血栓过程的方法。通过实验室模拟超声波实验验证了传感系统的有效性。在动物模拟实验中测量并分析了光纤光栅在不同实验条件下的冲击波响应。分析结果表明该传感系统能够实现激光溶血栓的实验过程监视。 设计了相移光纤光栅并实现了温度不敏感的折射率测量。分别以环氧树脂法和三层溶液法制作了相移光纤光栅。从制作的相移光栅的特性出发,设计了两种折射率解调方案。以蔗糖折射率溶液为研究对象,两种解调方案均实现了与温度无关的折射率测量。 设计了基于光纤激光器的高精度折射率测量系统。分析了相移在光纤激光器中的作用,同时作为对有源激光导致的温度不稳定的补偿,讨论激光输出波长差与折射率的对应关系。设计了实验解调系统,理论论证该传感方式的高精度测量。
【关键词】:光纤光栅 动态应力 冲击波 折射率 应力重构 有源光纤光栅
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TN253
【目录】:
  • 摘要2-3
  • Abstract3-5
  • 目录5-8
  • 第一章 绪论8-24
  • 1.1 光纤光栅的分类及其应用9-13
  • 1.1.1 光纤光栅的分类9-11
  • 1.1.2 光纤光栅的应用11-13
  • 1.2 光纤光栅动态应力测量的研究进展13-19
  • 1.3 光纤光栅折射率测量的研究进展19-21
  • 1.4 本论文研究内容以及研究成果21-24
  • 1.4.1 研究内容21-23
  • 1.4.2 研究成果以及创新点23-24
  • 第二章 光纤光栅理论基础24-38
  • 2.1 光纤光栅中的折射率调制24-25
  • 2.2 相位匹配条件25-26
  • 2.3 耦合模理论及其对均匀光纤光栅的分析26-32
  • 2.3.1 耦合模理论26-28
  • 2.3.2 耦合模方程及光纤光栅解析解的求解28-30
  • 2.3.3 光纤光栅特性分析30-32
  • 2.4 光纤光栅的数值模拟32-37
  • 2.4.1 分段均匀光纤光栅33-35
  • 2.4.2 多层膜叠加法35-37
  • 2.5 小结37-38
  • 第三章 光纤光栅的非均匀应力重构38-53
  • 3.1 光纤光栅应力重构概况38-39
  • 3.2 传输矩阵法及其分层离散传输矩阵的推导39-41
  • 3.3 应力分布对光纤光栅的影响以及光谱模拟41-44
  • 3.4 光纤光栅的应力重构44-52
  • 3.4.1 去层法的原理和重构的步骤45-48
  • 3.4.2 第一层光纤光栅反射谱的获取和剥离48-50
  • 3.4.3 光纤光栅不均匀应力的重构50-52
  • 3.5 本章小结52-53
  • 第四章 光纤光栅动态应力传感53-75
  • 4.1 光纤光栅动态测量的基本特点54-59
  • 4.1.1 光纤光栅动态应力54-55
  • 4.1.2 动态测量解调方案的确定55-57
  • 4.1.3 边缘滤波的系统分析57-59
  • 4.2 基于DWDM的光纤光栅动态测量59-66
  • 4.2.1 DWDM滤波器描述59-60
  • 4.2.2 基于DWDM解调的光纤光栅传感系统介绍60-61
  • 4.2.3 测量参数的标定61-63
  • 4.2.4 光纤光栅的动态应力传感实验及其分析63-66
  • 4.3 基于温控光纤光栅解调的光纤光栅传感系统66-73
  • 4.3.1 光纤光栅滤波器描述66-67
  • 4.3.2 传感系统67-68
  • 4.3.3 传感系统最佳工作状态分析68-71
  • 4.3.4 动态应力测量实验及其分析71-73
  • 4.4 本章小结73-75
  • 第五章 光纤光栅在激光溶血栓中的冲击波传感75-117
  • 5.1 激光溶血栓以及光纤光栅传感器的应用75-78
  • 5.1.1 血栓治疗的概况75-77
  • 5.1.2 激光融血栓的原理以及传感器的介绍77-78
  • 5.2 激光致冲击波的理论分析和模拟78-89
  • 5.2.1 液体的气泡78-80
  • 5.2.2 气泡的理论模型以及定性分析80-85
  • 5.2.3 激光致气泡的冲击波85-89
  • 5.3 激光溶血栓过程的光纤光栅监测实验89-116
  • 5.3.1 实验结构描述以及实验准备89-97
  • 5.3.2 验证性实验97-98
  • 5.3.3 激光溶血栓的初步传感实验98-108
  • 5.3.4 激光溶血栓的改进传感实验108-116
  • 5.4 本章小结116-117
  • 第六章 相移光纤光栅折射率传感117-153
  • 6.1 光纤光栅折射率传感器的原理117-125
  • 6.1.1 腐蚀对光纤有效折射率的影响118-122
  • 6.1.2 腐蚀对光纤光栅的影响122-125
  • 6.2 无源光纤光栅折射率传感的验证实验和相移光纤光栅的制作125-131
  • 6.2.1 光纤光栅整体腐蚀应用于折射率传感125-127
  • 6.2.2 腐蚀相移光纤光栅的制作127-131
  • 6.3 无源光纤光栅折射率传感实验以及结果分析131-139
  • 6.3.1 解调原理131-134
  • 6.3.2 光纤光栅应用于折射率传感以及结果分析134-139
  • 6.4 光纤光栅DFB激光器的相位分析及其传感理论139-152
  • 6.4.1 相位特性分析140-144
  • 6.4.2 折射率传感应用分析144-150
  • 6.4.3 DFB光纤激光器的制作和泵浦激光150-152
  • 6.5 本章小结152-153
  • 第七章 总结和展望153-155
  • 参考文献155-167
  • 博士在读期间发表的论文167-168
  • 致谢168

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