光线光栅传感器拓展应用研究

论文摘要

光纤光栅传感器（fiber grating sensor）是一种能感测多种物理参量的光无源器件。利用光学材料的光敏特性在光纤的纤芯上设计并建立的一种具有空间周期性折射率分布,感测物理参量的变化,从而改变或控制光在该特定区域的传播方式。通过对光本征参数（波长漂移）的解调分析,实现对被测量的测量及传感。光纤光栅传感器除具有普通光纤的特性之外,它还具有其它优异的可拓展应用的性质。对光纤光栅传感器的深入研究,将使许多复杂的神经传感网络的实现成为可能,为工程化应用奠定理论基础,并使其在许多常规传感器无法正常可靠实现测量传感的场合得到广泛应用。作为光电子研究领域的一种新兴技术,以光纤光栅为基本传感器的检测技术近年来受到广泛的关注,世界各国的研究者都在深入开展此项技术的相关研究。现阶段光纤光栅传感器可以检测的物理量有:温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩（扭应力）、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等,其中有相当数量及品种的光纤光栅传感系统已经得到了实际工程应用。本论文主要以布喇格光纤光栅传感器为研究主体,对其传感原理、传感器的结构与封装、标准化设计、解调技术以及拓展应用、传感网络技术进行了理论和实验的研究。主要内容如下:1.简要介绍了光纤传感原理和光纤光栅传感技术的发展及现状。概括总结了光纤光栅传感解调技术和复用技术的原理及应用。2.提出并设计制作了光纤光栅涡街流量传感测量系统。该系统可实现温度和流量的复合测量,该系统的实际波长分辨率为0. 011nm,实测精度≤0.5%F.S,详细介绍了其测量原理、系统构建以及测试标定结果。3.提出并设计完成了轮辐式光纤光栅压力传感器。该传感器可在恶劣的环境中使用,并能实现超大量程压力的测量,测量范围可达0-1000KN。本论文分析了该系统的检测原理,介绍了传感器的结构及封装技术,并设计制作了传感器的标定装置。4.提出并设计完成了金属铠装结构的FBG温度传感器和类陶瓷封装结构的FBG温度传感器。金属铠装结构的FBG温度传感器具有温度灵敏度高、响应快、结构强度高、易于嵌入式测量。类陶瓷FBG温度传感器具有绝缘性高、封装灵活等优点,适用于高频、强磁、电场的恶劣工程现场。实验测得温度灵敏度系数为11.3pm/℃,测量温度的分辨率可达0.1℃。5.对光纤光栅传感复用解调系统的信号扫描解调单元进行了电路优化设计,

论文目录

• 摘 要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 第一节 传感技术概述
• 第二节 光纤传感技术简介
• 第三节 光纤光栅传感技术
• 1.3.1 光纤光栅简介
• 1.3.2 光纤光栅种类
• 第四节 光纤光栅传感技术国内外研究现状及研究方向
• 第五节 本论文研究的主要内容及创新点
• 1.5.1 本论文主要内容
• 1.5.2 本论文的创新点
• 第二章 光纤光栅传感理论与分析方法
• 第一节 引言
• 第二节 光纤光栅耦合模理论
• 第三节 光纤光栅传输矩阵分析方法
• 第四节 光纤光栅傅氏变换分析方法
• 第五节 几种典型光纤光栅折射率分布及反射谱特性
• 2.5.1 均匀光纤光栅
• 2.5.2 啁啾光纤光栅
• 2.5.3 Tapered 光纤光栅
• 2.5.4 Morié光纤光栅
• 2.5.5 Blazed 光纤光栅
• 第六节 光纤光栅传感器的传感原理与分析
• 2.6.1 光纤光栅传感器基本光学性质
• 2.6.2 传感灵敏度
• 2.6.3 光纤光栅传感尚待解决基本问题
• 第七节 光纤光栅传感解调方案分析
• 2.7.1 光纤光栅传感信号调制单元物理模型
• 2.7.2 典型光纤光栅传感解调方案简介
• 本章小节
• 第三章 涡街流量传感器的研究
• 第一节 引言
• 第二节 涡街流量传感器测量原理
• 3.2.1 涡街流量传感器测量原理
• 3.2.2 流量传感器力学测量原理
• 3.2.3 FBG 流量传感器同时测量介质温度原理分析
• 第三节 检测系统的构成与实现
• 3.3.1 光纤光栅涡街流量传感器光路测量原理
• 3.3.2 检测系统构成及实现
• 3.3.3 光纤光栅涡街流量传感器光电信号转换原理
• 3.3.4 复合信号分离电路设计
• 3.3.5 实验与校准
• 本章小节
• 第四章 轮辐式 FBG 光纤光栅压力传感器的研究
• 第一节 轮辐式压力传感器原理简介
• 第二节 轮辐式光纤光栅压力传感器力学机理
• 4.2.1 弹性体的应力与应变特性
• 第三节 轮辐式光纤光栅压力传感器的传感机理
• 4.3.1 轮辐式光纤光栅压力传感器基本原理
• 4.3.2 双FBG 光栅轮辐式光纤光栅压力传感原理
• 4.3.3 轮辐式光纤光栅压力传感器的实验装置组成
• 第四节 轮辐式光纤光栅压力传感器的实验结果及分析
• 4.4.1 基于单栅轮辐式光纤光栅压力传感器测量结果分析
• 4.4.2 双栅型轮辐式光纤光栅压力传感器测量结果分析
• 本章小结
• 第五章 工程化光纤光栅温度传感器的研制
• 第一节 光纤光栅温度传感器理论
• 第二节 工程化光纤光栅温度传感器的研制
• 5.2.1 传感器结构设计
• 5.2.2 光纤光栅温度传感器封装过程中应注意的问题
• 第三节 实验数据及分析
• 5.3.1 铠装结构型FBG 温度传感器实验
• 5.3.2 类陶瓷封装工艺的 FBG 温度传感器实验
• 本章小节
• 第六章 电气设备光纤光栅温度检测安全预警网络系统
• 第一节 光纤光栅温度检测安全预警网络系统概述
• 6.1.1 电力高压设备故障原因及传感器配置方法
• 6.1.2 检测系统组成
• 第二节 信号解调系统原理
• 6.2.1 测量传感系统
• 6.2.2 软件系统
• 6.2.3 校准方式
• 第三节 光纤光栅温度检测安全预警网络系统标定
• 6.3.1 FBG 温度传感器标定
• 6.3.2 系统分辨率
• 6.3.3 系统指标
• 6.3.4 温度测量结果
• 第四节 系统误差分析
• 6.4.1 系统误差
• 6.4.2 随机误差
• 6.4.3 漂移误差
• 6.4.4 系统误差的校正
• 第五节 光纤光栅温度检测安全系统可靠性分析
• 6.5.1 系统组成
• 6.5.2 可靠性预计
• 本章小结
• 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果