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嵌入式复合材料FBG传感器的研究

郭裕强  
【摘要】:光纤Bragg光栅传感器(Fiber Bragg grating sensor,FBG)是近几年来发展最为迅速的光纤无源器件之一。由于它具有抗电磁干扰、抗电波干扰和精确性等优良性能,因而在光纤通信及传感领域有着广阔的应用前景。但在实际工程结构长期监测过程中,通常发现由于传感器本身传感性能的缺陷(如容易折断、质地脆、抗碱性能力差等),使得既有的FBG传感器类型远不能满足工业需求。因此也必须寻找有效的封装方式,对光纤Bragg光栅进行保护。 本文主要针对FBG传感器存在的上述缺陷,研制出一种以复合材料(T300/648)封装的FBG传感器,这种封装结构能够很好的保护光纤Bragg光栅。由于封装材料结构的可设计性,故能使传感器与所测量的基材达到满意的匹配效果,因此在监测结构变形时减小了测量误差也提高了传感器的线性度等。同时文中阐述了传感器的封装工艺以及封装材料铺层方式对测量结果的影响等。 本文的主要工作如下: 一、在光纤光栅传输理论的基础上,分析裸光纤光栅应变传感特性,以及光栅中心波长变化对传感灵敏度系数的影响。 二、设计并制作了一种以T300/648复合材料封装的光纤Bragg光栅传感器。通过等强度悬臂梁的弯曲试验对其传感特性进行试验,研究了封装工艺等对光纤Bragg光栅传感器性能的影响。 三、研究光纤传感器应变的界面传递机理和误差修正,推导光纤传感器的应变多层界面传递和误差修正公式,利用理论和试验结果对自行研制的复合材料封装的光纤Bragg光栅传感器进行应变传感误差分析和修正,为光纤光栅智能传感元件在结构健康监测中的应用提供监测结果合理修正的依据。 本文通过试验研究并对试验结果进行了理论分析,得到以下结论: 1)用复合材料封装的光纤Bragg光栅传感器与基底材料能达到满意的匹配效果,有助于提高测量精度。 2)封装结构可以提高光纤Bragg光栅的温度灵敏度系数。 3)封装后光纤Bragg光栅传感器中心反射波形完好,没有产生啁啾现象。 4)封装后的光纤Bragg光栅依然保持着非常高的线性关系和重复性。


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