基于啁啾化光纖光柵與高雙折射光纖環(huán)境傳感技術(shù)的研究.pdf

1、本論文是在國(guó)家科技部863項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目、天津市科技重大攻關(guān)項(xiàng)目、中國(guó)石化集團(tuán)科技項(xiàng)目等的支持下完成的。結(jié)合課題研究的目標(biāo),對(duì)基于啁啾化光纖光柵和高雙折射光纖環(huán)鏡的傳感技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。提出和設(shè)計(jì)了基于復(fù)雜應(yīng)變調(diào)制函數(shù)的光纖光柵傳感機(jī)構(gòu),并將該機(jī)構(gòu)成功地應(yīng)用于光纖布喇格光柵(Fiber BraggGrating,FBG)的啁啾化調(diào)諧、應(yīng)力和溫度同時(shí)測(cè)量、溫度不敏感角度測(cè)量。提出和設(shè)計(jì)了幾類

2、基于高雙折射光纖環(huán)鏡的新型傳感器,成功地實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力和溫度同時(shí)測(cè)量及液位、電流、水聲的傳感測(cè)量。此外,結(jié)合中國(guó)石化集團(tuán)的儲(chǔ)罐泄漏監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,提出和設(shè)計(jì)了基于單模光纖端面?zhèn)鞲刑筋^的分布式儲(chǔ)罐泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用于中國(guó)石化集團(tuán)天津分公司的長(zhǎng)期模擬儲(chǔ)罐石油泄漏監(jiān)測(cè)中。本論文的主要內(nèi)容和成果概括如下： 1、概述了傳感技術(shù)的基礎(chǔ)理論；分別歸納總結(jié)了光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、分類和應(yīng)用,光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展、分類和關(guān)鍵技術(shù),光纖干

3、涉儀傳感技術(shù)的發(fā)展、分類和關(guān)鍵技術(shù)；指出了光纖傳感技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展以及亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)。 2、系統(tǒng)地歸納總結(jié)了啁啾光纖光柵的理論分析方法,基于傳輸矩陣的分析方法對(duì)啁啾化光纖光柵的光譜特性以及外場(chǎng)響應(yīng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。系統(tǒng)地分析了啁啾化光纖光柵傳感的原理及關(guān)鍵技術(shù)。提出了啁啾化光纖光柵用于實(shí)現(xiàn)復(fù)合應(yīng)變場(chǎng)傳感的方法,傳輸矩陣分析方法不僅適合啁啾化光纖光柵用于普通函數(shù)應(yīng)變場(chǎng)傳感的分析,而且也適合用于復(fù)合函數(shù)應(yīng)變場(chǎng)傳感的分析,

4、從而為啁啾化光纖光柵實(shí)現(xiàn)復(fù)雜函數(shù)應(yīng)變場(chǎng)傳感提供了科學(xué)的理論支持。 3、設(shè)計(jì)了基于微錐度柱形懸臂梁的光纖光柵傳感機(jī)構(gòu),并對(duì)該機(jī)構(gòu)用于FBG的啁啾化調(diào)諧進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)把FBG粘貼到梁表面的不同位置的時(shí)候,可以獲得不同的啁啾化光纖光柵反射譜。當(dāng)FBG的初始粘貼位置從50mm變化到20mm時(shí),整個(gè)啁啾化光柵的反射光譜趨向于三角譜。當(dāng)FBG的粘貼位置在50mm～66mm時(shí),光柵的啁啾譜會(huì)出現(xiàn)明顯的分立的峰,各分立峰接近

5、于高斯光譜。隨著應(yīng)力的增大,啁啾譜的帶寬明顯的展寬,并且啁啾譜的帶寬和中心波長(zhǎng)有規(guī)律的發(fā)生變化,和應(yīng)力有近似線性的調(diào)諧關(guān)系。 4、提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于復(fù)雜應(yīng)變函數(shù)調(diào)諧單一啁啾化光纖光柵中心波長(zhǎng)和帶寬實(shí)現(xiàn)應(yīng)力和溫度同時(shí)測(cè)量的新方法。在10℃～60℃的溫度和ON～8.918N的應(yīng)力測(cè)量范圍內(nèi),溫度和應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果基本上和實(shí)際結(jié)果一致。帶寬和中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)力的靈敏度分別為0.344nm/N和0.408nm/N,帶寬和中心波長(zhǎng)對(duì)溫度的靈敏度分別為

6、0和0.078nm/℃。 5、提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用復(fù)雜應(yīng)變函數(shù)調(diào)諧的單一啁啾化光纖光柵和光強(qiáng)差分探測(cè)方法實(shí)現(xiàn)溫度不敏感角度測(cè)量的新方法。在0℃～60℃的溫度范圍內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的溫度不敏感測(cè)量。在0～90°的角度測(cè)量范圍內(nèi),隨著角度余弦的增大,歸一化光強(qiáng)相應(yīng)的減小,并且兩者成準(zhǔn)線性的變化關(guān)系,角度的余弦對(duì)歸一化光強(qiáng)的靈敏度可達(dá)0.133.另外,實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同的固定角度,隨著應(yīng)力的增大,光強(qiáng)相應(yīng)的減小,正好和基于線性啁啾

7、化光柵的傳感器具有相反的變化規(guī)律。 6、提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于高雙折射光纖環(huán)鏡和等強(qiáng)度梁實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力同時(shí)測(cè)量的新方法。在40℃～80℃的溫度和0.098N～1.078N的應(yīng)力測(cè)量范圍內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的同時(shí)測(cè)量,溫度和應(yīng)力的測(cè)量誤差分別為1％和5％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明應(yīng)力和溫度的傳感靈敏度是FBG型傳感器的一個(gè)數(shù)量級(jí)。該方法具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),而且經(jīng)合理設(shè)計(jì)傳感信號(hào)可以直接光強(qiáng)探測(cè)。 7、提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于高雙

8、折射光纖環(huán)鏡和等強(qiáng)度梁實(shí)現(xiàn)液位連續(xù)性測(cè)量的新方法。在0～140mm的測(cè)量范圍內(nèi),光強(qiáng)的透過率和液位的變化具有較好的線性關(guān)系,液位傳感的靈敏度為0.047/cm,分辨率為10mm。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、低成本、重復(fù)性較好等優(yōu)點(diǎn)。傳感信號(hào)可以直接光強(qiáng)探測(cè),不需要復(fù)雜的解調(diào)制設(shè)備。 8、提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于高雙折射光纖環(huán)鏡和磁制伸縮棒實(shí)現(xiàn)電流傳感測(cè)量的新方法。在磁制伸縮棒的線性工作區(qū)內(nèi),當(dāng)電流在300mA～1200mA的測(cè)量

9、范圍內(nèi)變化時(shí),光強(qiáng)的透過率和電流的變化具有較好的線性關(guān)系,電流的傳感靈敏度為0.0153/100mA,測(cè)量分辨率可達(dá)10mA。與基于普通光纖的電流傳感器相比,該方法不存在由于法拉第效應(yīng)導(dǎo)致的光纖雙折射效應(yīng)的問題。相對(duì)于光柵類電流傳感器,該方法直接光強(qiáng)探測(cè)不需要復(fù)雜的解調(diào)制設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、低成本、重復(fù)性較好等優(yōu)點(diǎn)。 9、提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于高雙折射光纖環(huán)鏡和筒狀傳感探頭實(shí)現(xiàn)水聲測(cè)量的新方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在固定的水聲

10、頻率下,聲壓的變化跟輸出電壓具有線性關(guān)系。該水聽器的聲壓探測(cè)靈敏度為10.82mV/Pa,水聲的頻率測(cè)量范圍可達(dá)200Hz～8KHz,中空的筒狀傳感探頭比非中空的頻率測(cè)量范圍要大。該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、低成本和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),而且傳感信號(hào)直接光電檢測(cè),不需要復(fù)雜的解調(diào)制設(shè)備。 10、結(jié)合中國(guó)石化集團(tuán)的儲(chǔ)罐泄漏監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,提出和設(shè)計(jì)了基于單模光纖端面?zhèn)鞲刑筋^的分布式儲(chǔ)罐泄漏光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在較大的溫度變化范圍內(nèi),該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光纖傳感探