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《合肥工业大学》 2015年
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光纤光栅传感器复用关键技术的研究与应用

张金涛  
【摘要】:光纤光栅传感技术是近年来传感技术领域发展的一个重要方向,因其具有诸多技术优势而得到广泛的研究与应用。由于解调波长编码的光纤光栅需要复杂昂贵的专用设备,单一光纤光栅传感器的性价比没有竞争力,将多个光纤光栅通过复用技术组成一个共享解调设备的传感网络则可发挥光纤光栅的技术优势。本文以国家自然基金项目(11274099)、黑龙江省自然基金项目(F201435)、黑龙江省科技攻关项目(GC08A514)、沈阳铁路局科学技术研究所“魏塔线桥梁横隔板加固效果评估”项目与黑龙江大学高水平团队支持项目(HD-028)为依托,对光纤光栅振动传感器、光纤多纵模激光传感器、光纤腔衰荡传感器及其复用关键技术进行深入研究,并取得了一些具有创新价值的研究成果。论文的内容可概括如下:一、概述光纤光栅的发展与分类,回顾光纤光栅无源、有源传感技术和光纤光栅传感器复用技术的发展与研究现状,据此,提出本文的研究目标。二、回顾光纤光栅的耦合模理论,据此,提出并验证一种光纤光栅无源低频振动传感器,并对其振动传感特性进行实验研究。利用这种传感器设计一个复用传感器数目为37只的光纤光栅无源波、空分复用传感网络,并将其应用于铁路桥梁横隔板的加固效果评估。三、利用能级理论对光纤多纵模激光器的工作原理、激光振荡阈值以及相位条件进行理论分析,据此,推导光纤多纵模激光传感器的拍频传感原理。提出三种不同谐振腔结构的光纤多纵模激光传感器,结合拍频解调技术将其应用于应力传感。研制一种光纤分布反馈式单纵模激光振动传感器,对其加速度以及频率响应特性进行实验研究,四、根据多纵模激光传感器的拍频频率间距与谐振腔长度相关的特性,结合频分复用技术,应用三种不同谐振腔结构的光纤多纵模激光传感器搭建有源复用传感系统,实现了复用传感器寻址,解决了复用系统中拍频传感信号信道间串扰以及多纵模激光传感器间泵浦功率分配问题。利用微位移平台对谐振腔施加应力,引起多纵模激光干涉形成的拍频信号的频率发生漂移,对系统的应力-拍频频率响应进行实验研究,同时对系统拍频噪声来源进行分析和讨论。五、结合光纤光栅波分复用信号处理技术与光纤腔衰荡光谱检测技术,提出一种基于光纤光栅的光纤腔衰荡传感器波分复用系统。在对光纤腔衰荡传感原理、传感器波分复用原理、系统最大可复用数目以及衰荡激光脉冲信号信道间串扰等问题进行理论分析的基础上,搭建压力传感实验平台,对复用系统的压力传感特性进行实验研究。
【关键词】:光纤光栅 多纵模激光传感器 传感网络 拍频 寻址 串扰 光纤腔衰荡光谱检测技术
【学位授予单位】:合肥工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TP212
【目录】:
  • 致谢9-10
  • 摘要10-12
  • Abstract12-21
  • 1 绪论21-32
  • 1.1 课题研究的目的和意义21-22
  • 1.2 光纤光栅无源传感技术22-24
  • 1.2.1 光纤光栅概述22-23
  • 1.2.2 光纤光栅无源传感原理及研究现状23-24
  • 1.3 光纤光栅有源传感技术24-26
  • 1.3.1 光纤光栅有源传感原理24-25
  • 1.3.2 光纤光栅有源传感技术研究现状25-26
  • 1.4 光纤光栅传感器复用技术26-30
  • 1.4.1 波分复用技术27-28
  • 1.4.2 时分复用技术28
  • 1.4.3 空分复用技术28-29
  • 1.4.4 复合复用技术29-30
  • 1.5 本文研究的主要内容及全文工作的安排30-32
  • 2 基于FBG无源传感网络技术的铁路桥梁横隔板加固效果评估32-56
  • 2.1 用于铁路桥梁结构安全检测的FBG无源低频振动传感器32-38
  • 2.1.1 FBG耦合模理论32-35
  • 2.1.2 FBG无源低频振动传感器35-38
  • 2.1.2.1 FBG无源低频振动传感器结构设计与工作原理35-36
  • 2.1.2.2 FBG无源低频振动传感器振动传感实验36-38
  • 2.2 利用FBG无源波、空分传感网络对铁路桥梁横隔板加固效果进行评估38-54
  • 2.2.1 铁路桥梁横隔板加固效果评估项目背景介绍38-39
  • 2.2.2 FBG无源波、空分传感网络设计39-40
  • 2.2.3 传感器的布设40-44
  • 2.2.4 横隔板加固前后桥梁结构安全参数数据处理方法44-47
  • 2.2.4.1 T梁跨中挠度数据处理方法44-45
  • 2.2.4.2 T梁跨中动载弯矩数据处理方法45-46
  • 2.2.4.3 T梁横向振动、横向位移及温度补偿数据处理方法46-47
  • 2.2.5 横隔板加固前后桥梁结构安全参数数据处理与结果分析47-54
  • 2.2.5.1 T梁跨中挠度数据处理与结果分析47-50
  • 2.2.5.2 T梁跨中动载弯矩数据处理与结果分析50-52
  • 2.2.5.3 T梁横向振动、横向位移数据处理与结果分析52-54
  • 2.2.6 铁路桥梁横隔板加固效果评估结论54
  • 2.3 本章小结54-56
  • 3 光纤多纵模激光传感器与光纤DFB单纵模激光振动传感器研究56-76
  • 3.1 光纤激光器工作原理56-62
  • 3.1.1 掺铒光纤中光纤光栅耦合模理论56-57
  • 3.1.2 光纤激光器激光振荡的阂值和相位条件57-59
  • 3.1.3 基于拍频解调技术的光纤多纵模激光传感器传感原理59-62
  • 3.2 光纤多纵模激光传感器62-70
  • 3.2.1 线形腔双FBG多纵模激光传感器62-65
  • 3.2.1.1 线形腔双FBG多纵模激光传感器结构设计62
  • 3.2.1.2 线形腔双FBG多纵模激光传感器应力传感实验62-65
  • 3.2.2 线形腔FBG-FRM多纵模激光传感器65-67
  • 3.2.2.1 线形腔FBG-FRM多纵模激光传感器结构设计65-66
  • 3.2.2.2 线形腔FBG-FRM多纵模激光传感器应力传感实验66-67
  • 3.2.3 环形腔多纵模激光传感器67-70
  • 3.2.3.1 环形腔多纵模激光传感器结构设计68
  • 3.2.3.2 环形腔多纵模激光传感器应力传感实验68-70
  • 3.3 光纤DFB单纵模激光振动传感器70-74
  • 3.3.1 光纤DFB单纵模激光振动传感器结构设计与工作原理71-72
  • 3.3.2 光纤DFB单纵模激光振动传感器振动传感实验72-74
  • 3.4 本章小结74-76
  • 4 光纤多纵模激光传感器频分复用技术研究76-91
  • 4.1 线形腔双FBG多纵模激光传感器频分复用技术研究76-80
  • 4.1.1 线形腔双FBG多纵模激光传感器频分复用系统76-78
  • 4.1.2 线形腔双FBG多纵模激光传感器频分复用系统应力传感实验78-80
  • 4.2 线形腔FBG-FRM多纵模激光传感器频分复用技术研究80-85
  • 4.2.1 线形腔FBG-FRM多纵模激光传感器频分复用系统80-81
  • 4.2.2 线形腔FBG-FRM多纵模激光传感器频分复用系统应力传感实验81-85
  • 4.3 环形腔多纵模激光传感器频分复用技术研究85-90
  • 4.3.1 环形腔多纵模激光传感器频分复用系统85-86
  • 4.3.2 环形腔多纵模激光传感器频分复用系统应力传感实验86-90
  • 4.4 本章小结90-91
  • 5 基于FBG的FCRDS传感器波分复用技术研究91-102
  • 5.1 FCRDS传感器及其工作特性91-93
  • 5.2 基于FBG的FCRDS传感器波分复用技术93-101
  • 5.2.1 基于FBG的FCRDS传感器波分复用系统结构93-94
  • 5.2.2 基于FBG的FCRDS传感器波分复用系统工作原理94-97
  • 5.2.2.1 复用系统传感器寻址原理与最大可复用传感器数目95-96
  • 5.2.2.2 复用系统传感器信道串扰分析96-97
  • 5.2.3 基于FBG的FCRDS传感器波分复用系统压力传感实验97-101
  • 5.3 本章小结101-102
  • 6 结论与展望102-104
  • 6.1 结论102-103
  • 6.2 展望103-104
  • 参考文献104-112
  • 攻读博士学位期间的学术活动及成果情况112-113

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