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倾斜光纤布拉格光栅矢量弯曲传感器

段志会  
【摘要】:光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)由于抗电磁干扰、化学性质稳定、成本低、尺寸小等优点,在航天工程、石油开采、土木建工、化学医疗等领域广泛的应用。倾斜光纤布拉格光栅(Tilted Fiber Bragg Grating,TFBG)是一种特殊的光纤布拉格光栅,其光栅平面与轴向成一夹角。矢量弯曲传感器在VR数据手套、电控玩具、智能机器、人体健康检测等领域有着巨大的需求,而许多光纤传感器由于光纤的圆对称性,不能进行矢量弯曲测量,限制了传感器的大规模实际应用,在本文中分别提出了波长解调、强度解调的基于倾斜光纤布拉格光栅的矢量弯曲传感器。本文主要研究内容如下:(1)观察了空气中的模式截止现象,并利用软件Mode Solutions进行了光纤弯曲的模式仿真分析。根据低阶包层模的截止模式提出并研究了基于2°倾斜光纤布拉格光栅的矢量弯曲传感器。由于TFBG破坏了光纤的圆对称性,传感器实现了0度、90度、180度、270度四个方向的矢量传感,曲率测量范围为0~17.03 m~(-1),截止模式的波长与曲率有很好的线性响应,其中在0度方向上灵敏度最小,为-0.171nm/m~(-1);在180度方向上灵敏度最大,为-0.086 nm/m~(-1);在90度与270度方向上,灵敏度为-0.154 nm/m~(-1)和-0.149nm/m~(-1)。采用了波长解调方法,具有很好的重复性,不易受光源稳定性的影响。(2)构建了基于拉锥光纤与2°倾斜光纤布拉格光栅的透射式、反射式两种强度解调矢量弯曲传感器。光纤拉锥技术是一种光纤后处理技术,拉锥光纤使模式会衰减,增加传感器的灵敏度。透射式矢量弯曲传感器实现了在0度、90度、180度、270度四个方向的矢量传感,包层模强度与曲率在6.36m~(-1)到17.03m~(-1)之间基本成线性关系,在0度弯曲方向上灵敏度最小,有-0.989dB/m~(-1),在180度弯曲方向上灵敏度最大,为-0.607dB/m~(-1)。反射式矢量弯曲传感器也实现了在0度、90度、180度、270度四个方向的矢量传感,在曲率6.36m~(-1)到17.03m~(-1)之间纤芯模强度与曲率基本成线性关系,在0度弯曲方向上灵敏度最小,有-1.667dB/m~(-1),在180度弯曲方向上灵敏度最大,为-1.492 dB/m~(-1)。反射式传感系统相比透射式传感系统有更大的衰减,灵敏度提高了1.6~2.4倍。本论文结合倾斜光纤布拉格光栅的矢量传感特性和空气中的模式截止现象构建并实现了波长解调的光纤矢量弯曲传感器,具有测量范围大、灵敏度高、重复性好等优点;结合倾斜光纤布拉格光栅的矢量传感特性和拉锥光纤的模式衰减构建并实现了强度解调的光纤矢量弯曲传感器,具有灵敏度高、灵活性好等优点。


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