光纤光栅传感器设计与研究

论文摘要

光纤布拉格光栅传感器是利用Bragg波长对温度、应力的敏感特性制成的一种新型光纤传感器。光纤布拉格光栅传感器由于具有无源无电、抗电磁干扰、信号传输距离远、利用波分、时分或空分复用技术易于实现大规模分布式网络测量等优点，在桥梁、石化、航空和航天等大型结构工程、易燃易爆场合和强电磁场环境中得到广泛应用。本文主要以光纤布拉格光栅为研究的对象，对其传感技术进行了理论和实验的研究。本文主要内容有：设计了一种利用开口环结构（有机玻璃）封装的新型高灵敏度光纤布拉格光栅温度（应力）传感器，并对光纤布拉格光栅传感器的温度和应力增敏封装技术进行了理论和实验研究。实验在010N和22℃82℃的温度和应力范围内，对传感器进行了研究，得到温度灵敏度为9.2×10-5/℃，大约是裸光纤布拉格光栅温度灵敏度的12倍；得到应力灵敏度高达K实验=1.057×10-4/N，与理论值比较传递因子为η= 0.64；其光栅中心波长随温度和应力变化响应趋势曲线均具有良好线性和重复性。提出并验证了一种新型光纤布拉格光栅传感器温度与应力双参数同时传感方案。这是一种采用一根光纤布拉格光栅实现温度和应力同时测量的方案。此方案将光纤布拉格光栅的一半粘贴于热膨胀系数较大的有机玻璃基底上，另外一半不粘贴。在实验中，研究和分析了应力（温度）不变时传感器温度（压力）传感特性。根据实验结果可以得出波长变化与应力、温度变化关系矩阵。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤光栅简介
• 1.1.1 光纤光栅发展历史
• 1.1.2 光纤光栅的分类
• 1.1.3 光纤光栅的制作技术
• 1.2 光纤光栅传感器技术简介
• 1.2.1 光纤光栅传感器的优点
• 1.2.2 光纤光栅传感器的发展和应用
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 第二章 光纤光栅的理论分析方法
• 2.1 光纤光栅的耦合模理论
• 2.1.1 光纤光栅芯区的折射率分布
• 2.1.2 光纤光栅耦合模理论的推导
• 2.2 傅立叶变换和传输矩阵分析法
• 2.2.1 傅立叶变换法
• 2.2.2 传输矩阵分析法
• 2.3 光纤光栅传感技术基础
• 2.3.1 光纤光栅的温度传感
• 2.3.2 光纤光栅的应力传感
• 2.3.3 光纤光栅的交叉传感
• 2.4 光纤光栅传感器的增敏技术和封装技术
• 2.4.1 光纤光栅传感器的增敏技术
• 2.4.2 光纤光栅传感器的封装技术
• 2.5 小结
• 第三章 光纤布拉格光栅传感器的设计与研究
• 3.1 引言
• 3.2 光纤布拉格光栅传感器的设计
• 3.3 光纤布拉格光栅传感器温度传感特性实验
• 3.4 光纤布拉格光栅传感器应力传感特性实验
• 3.4.1 光纤布拉格光栅传感器应力特性理论分析
• 3.4.2 光纤布拉格光栅传感器应力特性实验分析
• 3.5 小结
• 第四章 光纤布拉格光栅应力温度双参数传感研究
• 4.1 引言
• 4.2 光纤光栅交叉敏感的关联分析
• 4.3 光纤布拉格光栅应力温度双参数传感传感器的设计
• 4.3.1 传感器设计
• 4.3.2 基本原理
• 4.4 实验分析
• 4.4.1 应力不变时传感器温度传感特性分析
• 4.4.2 温度不变时传感器应力传感特性分析
• 4.5 小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文