陣列化光纖光柵傳感器技術(shù)研究.pdf

1、世界已經(jīng)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?shù)耐ǖ勒诘玫綇V泛地應(yīng)用，各種類型的光纖系統(tǒng)及光纖器件共同構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(yīng)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(yīng)變、壓力、位移、壓強、扭角、扭矩(扭應(yīng)力)、加速度、電流、電壓、磁場、頻率、濃度、熱膨脹系數(shù)、振動等，其中一部分光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)實際應(yīng)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(shù)、解調(diào)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行了理論和實驗的研究。主要內(nèi)容有： 1.概括介紹了光纖傳感和光纖

3、光柵傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)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(diào)和復(fù)用技術(shù)。 2.從耦合模理論出發(fā)，論述了具有不同折射率結(jié)構(gòu)的光纖光柵所表現(xiàn)的傳輸譜及其應(yīng)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(shù)的數(shù)學表述，說明了它們與折射率調(diào)制因素的關(guān)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(wǎng)原理，討論

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

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(guān)聯(lián)分析方法，指導高性能傳感器的設(shè)計。首次提出并設(shè)計了用于結(jié)構(gòu)損傷診斷的實用型光纖光柵傳感器，并獲得專利授權(quán)；研究了應(yīng)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(yīng)變檢測方法和振動傳感方法； 在此基礎(chǔ)上提出并實現(xiàn)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(qū)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(diào)諧的基本原理出發(fā)，分類闡述了調(diào)諧FBG中心波長和調(diào)諧其帶寬的方法。在調(diào)諧中心波長方面，首次提出并設(shè)計了一種裸光纖光柵的調(diào)諧機構(gòu)，研究了該機構(gòu)的實現(xiàn)方法，指出了這樣設(shè)計的創(chuàng)新點。為實現(xiàn)光纖光柵調(diào)諧過程中的溫度補償，設(shè)計了雙反射峰調(diào)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(diào)諧方法及其應(yīng)用領(lǐng)域。 6．詳細論述了陣列化光纖光柵傳感器技術(shù)與解調(diào)系統(tǒng)(Ustsee-1型光纖光柵傳感測試系統(tǒng))的設(shè)計原