陣列化光纖光柵傳感器技術研究.pdf

1、世界已經跨入信息時代，光子作為信息的又一種載體越來越顯示了它的顯著地位。光纖作為信息傳輸的通道正在得到廣泛地應用，各種類型的光纖系統(tǒng)及光纖器件共同構筑了和改善著我們這個社會信息交流的平臺，顯示了不可替代的重要性。光纖光柵是纖芯折射率沿光纖軸線呈周期性變化的一種光纖結構，它標志著近年來繼光纖以后的又一座里程碑。目前，以布喇格光纖光柵(FBG:fiber Bragggrating)為傳感主體的傳感器已成為研發(fā)主流。這種傳感器適于在高溫、腐蝕

2、性或危險性環(huán)境中使用。在大型建筑和油井等特殊場合的安全監(jiān)測方面具有極為廣泛的應用前景。目前，已報道的光纖光柵傳感器可以檢測的物理量有：溫度、應變、壓力、位移、壓強、扭角、扭矩(扭應力)、加速度、電流、電壓、磁場、頻率、濃度、熱膨脹系數、振動等，其中一部分光纖光柵傳感系統(tǒng)已經實際應用。 本論文主要以布喇格光纖光柵為研究對象，對其傳感技術、解調技術以及網絡技術進行了理論和實驗的研究。主要內容有： 1.概括介紹了光纖傳感和光纖

3、光柵傳感技術的發(fā)展現狀。分析了以光纖光柵作為基本傳感器件的原理，說明了不同成柵方法的特點，概述了光纖光柵傳感器的解調和復用技術。 2.從耦合模理論出發(fā)，論述了具有不同折射率結構的光纖光柵所表現的傳輸譜及其應用范圍。以均勻Bragg光纖光柵、長周期光纖光柵為典型，簡要推導了傳輸譜的中心波長、反射率、3dB帶寬等參數的數學表述，說明了它們與折射率調制因素的關系。從一般光纖傳感器到當今廣泛研究的FBG傳感器，研究了它們的組網原理，討論

4、了限制傳感器網絡中點數設置的關鍵問題。 3.從光纖光柵傳感技術的關鍵點入手，系統(tǒng)闡述了單點解調方法、組網方法及復用系統(tǒng)的解調方法。這些包括馬赫．澤德、邁克爾遜等干涉型解調方案以及法布里-珀羅可調諧濾波器、邊沿濾波、匹配光纖光柵濾波等濾波型解調方案。分析了在光纖光柵傳感系統(tǒng)陣列化應用時的關鍵復用技術，如波分復用(WDM)、時分復用(TDM)、空分復用(SDM)等技術的組合解調方法。同時，還對傳感系統(tǒng)中光電檢測的關鍵技術以及光源技術

5、進行了探討。 4.從光纖光柵交叉敏感物理模型出發(fā)，引入光纖光柵的交叉關聯分析方法，指導高性能傳感器的設計。首次提出并設計了用于結構損傷診斷的實用型光纖光柵傳感器，并獲得專利授權；研究了應用F-P半導體激光器和FBG振動傳感的方法；首次提出了一種新穎的光纖光柵溫度補償型應變檢測方法和振動傳感方法； 在此基礎上提出并實現了光纖光柵最靈敏振動傳感的方案，振動頻率達到750Hz、輸入振動驅動功率為2mw時，仍能檢測到不失真的振動

6、信息。 　　　5．從光纖光柵調諧的基本原理出發(fā)，分類闡述了調諧FBG中心波長和調諧其帶寬的方法。在調諧中心波長方面，首次提出并設計了一種裸光纖光柵的調諧機構，研究了該機構的實現方法，指出了這樣設計的創(chuàng)新點。為實現光纖光柵調諧過程中的溫度補償，設計了雙反射峰調諧方案，實驗證明該方法可行有效。本章還闡述了光纖光柵帶寬調諧方法及其應用領域。 6．詳細論述了陣列化光纖光柵傳感器技術與解調系統(tǒng)(Ustsee-1型光纖光柵傳感測試系統(tǒng))的設計原