光纤光栅动态应力和折射率传感研究

论文摘要

本论文的研究内容主要围绕于光纤光栅动态测量和折射率传感及其相关的应用。近年来,随着光纤光栅研究的快速发展,光纤光栅传感也从最开始的简单的温度应力传感向更高精度的传感和更大范围的传感应用这两个方向发展。本文从光纤光栅的基本理论出发,对光纤光栅在动态应力的高精度测量以及光纤光栅传感应用的扩展方面进行了详细的理论和实验研究。研究的主要内容如下:提出了基于分层法的随机应力分布的重构算法。模拟并分析了不均匀应力对光纤光栅光谱的影响。从光纤光栅分层法出发,设计了时域截断和离散矩阵法的应力重构算法。这两种算法均准确地实现了随机应力分布的重构。设计并实验验证了高精度的动态应力测量系统。以悬臂梁的自由振动为实验对象,分别以DWDM和温控光纤光栅为滤波器,测量悬臂梁的谐振谱,并将其与传统的振动测量方法进行了比较。结果表明该传感系统高精度地实现了振动的测量。将光纤光栅应用于激光溶血栓的实验过程监视。理论分析了激光在溶血栓过程中的物理现象,提出了以光纤光栅测量冲击波方式来监视激光溶血栓过程的方法。通过实验室模拟超声波实验验证了传感系统的有效性。在动物模拟实验中测量并分析了光纤光栅在不同实验条件下的冲击波响应。分析结果表明该传感系统能够实现激光溶血栓的实验过程监视。设计了相移光纤光栅并实现了温度不敏感的折射率测量。分别以环氧树脂法和三层溶液法制作了相移光纤光栅。从制作的相移光栅的特性出发,设计了两种折射率解调方案。以蔗糖折射率溶液为研究对象,两种解调方案均实现了与温度无关的折射率测量。设计了基于光纤激光器的高精度折射率测量系统。分析了相移在光纤激光器中的作用,同时作为对有源激光导致的温度不稳定的补偿,讨论激光输出波长差与折射率的对应关系。设计了实验解调系统,理论论证该传感方式的高精度测量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤光栅的分类及其应用
• 1.1.1 光纤光栅的分类
• 1.1.2 光纤光栅的应用
• 1.2 光纤光栅动态应力测量的研究进展
• 1.3 光纤光栅折射率测量的研究进展
• 1.4 本论文研究内容以及研究成果
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究成果以及创新点
• 第二章 光纤光栅理论基础
• 2.1 光纤光栅中的折射率调制
• 2.2 相位匹配条件
• 2.3 耦合模理论及其对均匀光纤光栅的分析
• 2.3.1 耦合模理论
• 2.3.2 耦合模方程及光纤光栅解析解的求解
• 2.3.3 光纤光栅特性分析
• 2.4 光纤光栅的数值模拟
• 2.4.1 分段均匀光纤光栅
• 2.4.2 多层膜叠加法
• 2.5 小结
• 第三章 光纤光栅的非均匀应力重构
• 3.1 光纤光栅应力重构概况
• 3.2 传输矩阵法及其分层离散传输矩阵的推导
• 3.3 应力分布对光纤光栅的影响以及光谱模拟
• 3.4 光纤光栅的应力重构
• 3.4.1 去层法的原理和重构的步骤
• 3.4.2 第一层光纤光栅反射谱的获取和剥离
• 3.4.3 光纤光栅不均匀应力的重构
• 3.5 本章小结
• 第四章 光纤光栅动态应力传感
• 4.1 光纤光栅动态测量的基本特点
• 4.1.1 光纤光栅动态应力
• 4.1.2 动态测量解调方案的确定
• 4.1.3 边缘滤波的系统分析
• 4.2 基于DWDM的光纤光栅动态测量
• 4.2.1 DWDM滤波器描述
• 4.2.2 基于DWDM解调的光纤光栅传感系统介绍
• 4.2.3 测量参数的标定
• 4.2.4 光纤光栅的动态应力传感实验及其分析
• 4.3 基于温控光纤光栅解调的光纤光栅传感系统
• 4.3.1 光纤光栅滤波器描述
• 4.3.2 传感系统
• 4.3.3 传感系统最佳工作状态分析
• 4.3.4 动态应力测量实验及其分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 光纤光栅在激光溶血栓中的冲击波传感
• 5.1 激光溶血栓以及光纤光栅传感器的应用
• 5.1.1 血栓治疗的概况
• 5.1.2 激光融血栓的原理以及传感器的介绍
• 5.2 激光致冲击波的理论分析和模拟
• 5.2.1 液体的气泡
• 5.2.2 气泡的理论模型以及定性分析
• 5.2.3 激光致气泡的冲击波
• 5.3 激光溶血栓过程的光纤光栅监测实验
• 5.3.1 实验结构描述以及实验准备
• 5.3.2 验证性实验
• 5.3.3 激光溶血栓的初步传感实验
• 5.3.4 激光溶血栓的改进传感实验
• 5.4 本章小结
• 第六章 相移光纤光栅折射率传感
• 6.1 光纤光栅折射率传感器的原理
• 6.1.1 腐蚀对光纤有效折射率的影响
• 6.1.2 腐蚀对光纤光栅的影响
• 6.2 无源光纤光栅折射率传感的验证实验和相移光纤光栅的制作
• 6.2.1 光纤光栅整体腐蚀应用于折射率传感
• 6.2.2 腐蚀相移光纤光栅的制作
• 6.3 无源光纤光栅折射率传感实验以及结果分析
• 6.3.1 解调原理
• 6.3.2 光纤光栅应用于折射率传感以及结果分析
• 6.4 光纤光栅DFB激光器的相位分析及其传感理论
• 6.4.1 相位特性分析
• 6.4.2 折射率传感应用分析
• 6.4.3 DFB光纤激光器的制作和泵浦激光
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 参考文献
• 博士在读期间发表的论文
• 致谢