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光纤光栅传感器的研究

李科  
【摘要】: 光纤光栅的出现已经有30年的时间,它是利用光纤的光敏性,通过紫外光照射导致纤芯折射率发生变化而制成的一种光纤无源器件。光纤光栅相当于一个窄带的滤波器或反射镜。当外界环境改变时,由于热光效应、弹光效应、法拉第效应等的作用导致Bragg中心波长发生漂移,测量此波长的漂移量就可检测外界温度、应力、磁场等的变化,还可间接测量加速度、振动、浓度、液位、电流、电压等物理量。利用这一特性可制成用以检测多种参量的光纤传感器和光纤传感网。随着光纤光栅写入技术和传感器封装技术的不断完善,一些光纤光栅传感器已开始规模化生产。 除了由光纤的本征属性所带来的优点,如质轻、径细、柔韧、化学稳定、耐高温、抗电磁干扰等,光纤光栅传感器还具有很多独特的优势,如传感器尺寸小,易于埋入结构中,复用性好,易于组成网络,能够实现准分布式测量,灵敏度高,响应速度快,传输距离远,测量信息是波长编码的绝对测量,不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响,有较强的抗干扰能力。这些使得光纤光栅传感器成为理想的传感器,并在航空航天航海等军事领域,大型土木工程、电力、医疗等民用领域得到了广泛的应用。日益增多的应用成果表明,光纤光栅已成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。 本论文以研究光纤光栅的原理及其传感应用为目的,概述了光纤光栅传感技术的发展史及其研究和应用现状;介绍了光纤光敏性及光纤光栅写入法,研究了光纤光栅的模式理论;介绍了现有的光纤光栅的封装与增敏技术,并在此基础上提出了一种新的温度增敏封装结构;对光纤Bragg光栅传感技术进行了理论研究和实验分析,从理论和实验上证明了光纤Bragg光栅有良好的温度传感特性;介绍了几种常用的光纤光栅传感解调方案,在此基础上提出了一种高性价比的解调方案,并进行了传感原件的选型和电路设计。 通过理论研究和实验分析可以看出,与传统的机电式传感器相比,光纤光栅传感器具有许多独特的优势。目前,光纤光栅的封装与增敏技术和传感信号的解调技术是研究的重点,设计高性能、长寿命的光纤光栅传感原件和高灵敏度、多通道的信号解调装置具有重大的意义。结合实际应用,进一步加快理论研究和实验室开发是使光纤光栅传感器从实验室走向工程应用的主要工作。


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