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光纤光栅有源传感技术的研究

罗建花  
【摘要】: 随着光纤光栅技术的不断完善发展,光纤光栅传感技术越来越多的受到人们的重视。以光纤Bragg光栅作为传感元件的各种传感器以及传感系统已经被实际应用于重大工程的健康监测中。随着传感系统要求的不断提高,单个传感器已远不能满足要求。网络化已成为传感器技术发展的必然趋势。 光纤光栅有源传感技术是在无源传感技术的基础上发展起来的,利用光纤激光器代替光纤光栅作为传感元件,构成有源传感系统进行实验研究。其显著特点是提高了传感波长的信噪比和光功率,使之与一般的宽带光源相比,传感信号的强度信噪比有了极大的提高,因而具有波长易于检测的优点。 本论文是在国家“八六三计划”项目(No. 2006AA01Z217)、国家自然科学基金重点项目(No. 60736039)的支持下完成的。主要内容包括: 1.对基于光纤光栅的无源和有源传感技术的传感机理和发展现状等进行了系统的介绍。并着重阐述了单纵模分布布拉格反射(DBR)光纤激光器的基于拍频检测的有源传感技术,对其传感特性进行了分析。这种有源传感器不仅具有传统光纤有源传感器的高信噪比、高功率、易检测等特性,作为拍频调制型传感器还具有工作带宽宽、信号解调更加简单、比波长调制型声学传感器灵敏度高等独特优点。 2.我们对拍频调制型传感器也就是单纵模DBR光纤激光器的输出特性进行了研究。在光纤光栅的基本分析方法和基于光纤光栅的光纤激光器的基本理论基础上,通过理论模拟分析了基于光纤Bragg光栅(FBG)的F-P线形腔的输出特性,并讨论了腔镜反射率和谐振腔的长度对纵模线宽和纵模间隔的影响。实验上设计制作了DBR光纤激光器,实验结果很好的验证了输出特性理论。 3.研制了工程化光纤光栅一维温度、应变以及轮辐式压力传感器,并取得了很好的研究结果。采用圆柱体结构研制了光纤光栅三维应变传感器,对其三维传感特性在理论上进行了分析,并采用有机玻璃和钛钢材料的圆柱体结构进行了三维传感的实验研究。在研制多维多参量传感器的基础上,与无线传感网络技术相结合,对基于光纤光栅传感的、可对多维环境进行多参量监测并具有管理及决策功能的无线传感网络系统进行了初步探讨。 4.设计并研制了基于单纵模DBR光纤激光器的传感器,通过研究侧压力和弯曲对单模光纤双折射特性的影响,对传感器基于拍频检测的传感原理进行了分析。利用单纵模DBR光纤激光器做传感元件,成功研制了基于拍频检测的压力和纯弯曲的单参量有源传感器。由于激光器的波长和正交偏振的拍频在温度变化时都会有所变化,我们通过检测波长和拍频的变化来测量温度的变化,实现了双参量解调的传感技术。通过理论分析和温度传感实验验证,实验结果和理论推导相一致。 5.通过研究基于单纵模DBR光纤激光器的有源传感技术,对这种传感器的波分频分复用技术进行了研究,几种不同工作频率不同工作波长的传感器串联组成传感阵列。设计了泵浦光和信号光分开传输的双总线结构,利用光源分路器为每个传感单元单独提供泵浦,实现最大化利用泵浦能量。另外为了实现大规模传感阵列,我们设计采用空分复用和波分频分复用相结合的方式,实现M×N的组网方案。


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