光纖光柵非均勻應(yīng)變及溫度場傳感研究.pdf

1、光纖光柵(fiber grating)作為一種結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)異的光無源器件，因其具有諸多獨特的光學性質(zhì)，使其在光通信和光傳感領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。其中，光纖光柵在傳感應(yīng)用領(lǐng)域以其靈敏度高、動態(tài)范圍寬、可靠性好、抗電磁干擾能力強、質(zhì)輕體小、便攜靈便及易于構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)等特點，受到各國研究者的極大關(guān)注。本文主要闡述作者三年來在光纖光柵傳感方面的有關(guān)工作及研究成果。
　　 本文內(nèi)容源于國家科技部863計劃課題、國家973計劃項目

2、子課題、國家自然科學基金、南開大學科技創(chuàng)新基金等，在繼承前人的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了均勻與非均勻應(yīng)變、溫度場作用下的光纖光柵基本特性及其傳感理論，并利用光纖光柵波長或譜形(帶寬)編碼技術(shù)，研制出新型光纖光柵波長與帶寬調(diào)諧器件以及高靈敏度壓強、流速傳感器件，在理論、實驗方面取得了一些創(chuàng)新性研究成果。全文共分五章，具體如下：
　　 第一章：簡要介紹了光纖光柵的發(fā)展歷程及研究意義。概述了當前光纖光柵的制作技術(shù)、分析了它們的各自特點，闡述了

3、光纖光柵在光傳感及光通信領(lǐng)域的典型應(yīng)用。詳細分析了光纖光柵非均勻應(yīng)變、溫度場傳感的研究現(xiàn)狀。
　　 第二章：從麥克斯韋方程出發(fā)，詳細推導了光纖光柵耦合模理論，細致分析了光纖布拉格光柵以及長周期光纖光柵的光學特性。概述了光纖光柵傳輸矩陣法、傅氏變換法及多層膜傳輸法，并闡釋了它們的各自特點。
　　 第三章：系統(tǒng)研究了均勻應(yīng)變、溫度場作用下的光纖光柵傳感特性，概述了典型的光纖光柵應(yīng)變-溫度交叉敏感解決方案。詳細分析了橫向應(yīng)變作

4、用下的光纖光柵譜形特性。簡要介紹了典型的光纖光柵中心波長調(diào)諧技術(shù)，并詳細研究了基于自行提出的開口環(huán)結(jié)構(gòu)的新型光纖光柵波長調(diào)諧機構(gòu)，理論推導了波長調(diào)諧數(shù)學關(guān)系式，實驗獲得該機構(gòu)的波長調(diào)諧靈敏度為3.18nm/N。
　　 第四章：利用傳輸矩陣法首次系統(tǒng)研究了非均勻應(yīng)變、溫度場作用下的光纖光柵光學特性。提出一種新穎的基于開口環(huán)結(jié)構(gòu)的光纖光柵帶寬線性調(diào)諧裝置，理論推導了帶寬調(diào)諧數(shù)學關(guān)系式，實驗獲得該裝置的帶寬調(diào)諧靈敏度為0.34nm/N

5、。利用步進電機及相關(guān)驅(qū)動電路、控制軟件，研制出新穎的光纖光柵帶寬可控調(diào)諧裝置。
　　 第五章：根據(jù)光纖光柵波長及帶寬調(diào)諧原理，設(shè)計并研制出兩種高靈敏度光纖光柵壓強傳感器，其中最高壓強傳感靈敏度高達7.2MPa-1，據(jù)相關(guān)文獻檢索，該壓強靈敏度是目前報道的最高值?；诟哽`敏度光纖光柵壓強傳感器，我們首次提出并實現(xiàn)了一種基于光纖光柵的高靈敏度差壓式流速傳感器，其動態(tài)感測范圍約為51～147mm/s，分辨率優(yōu)于3mm/s。