光纤光栅应变传感器的若干解调技术研究

论文摘要

随着光纤通信及光纤传感等技术的飞速发展,光纤传感器作为一种新型的探测装置得到原来越多的应用和研究。不同于传统的电传感器,光纤传感器以光信号为转换及传输的载体,体积小,重量轻,抗电磁干扰,适用于易爆易燃等恶劣环境。光纤光栅传感器不仅具有普通光纤传感器的这些优点,更由于自身波长编码的特性,这使得光纤光栅传感器不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗等因素影响。光纤光栅本身有设计波长,具有自参考性,不需要固有参考点,可实现对结构完整性,安全性,损伤程度的实时监测。通过采用密集波分复用技术,还可实现光纤光栅传感阵列分布式检测,在大型土木工程,航天航空,能源化工等领域有广泛应用前景。研究了光纤光栅传感器的应用原理。介绍了光纤光栅的结构,针对光纤光栅的应变敏感特性分别进行了分析研究,并根据耦合模理论推导出了光纤光栅的反射谱表达式,并对施加应变时反射谱的移动进行了数值模拟。讨论了光纤光栅的各种不同形式的封装原理及各自的优缺点,并详细介绍了本文所选取的封装方法及操作工艺。介绍了常用的几种光纤光栅静态应变传感装置及其理论计算公式,建立了悬臂梁式光纤光栅静态应变传感器实验系统,用光传感分析仪提供扫描光源和光谱分析,进行了实验观测,在现有实验条件下,共搭建了两套悬臂梁式静态应变装置,分别对其应变灵敏度进行了计算分析,实验表明悬臂梁式光纤光栅传感器性能良好,具有较高的线性度。通过对光纤光栅反射谱的研究,提出了基于强度解调的光纤光栅应变传感器,通过合理选择激光光源和光纤光栅,在一定动态范围内,输出信号光的光强与动态应变的最大幅度两者之间呈线性关系,根据理论分析建立实验系统,进行实验观测。此外,本文还研究了光纤传输的Mach-Zehnder干涉应变传感测量系统。介绍了光纤M-Z干涉仪测应变系统的基本结构和原理,搭建实验系统进行实验观测,对实验结果进行了讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤传感及光纤光栅传感器的特点
• 1.2 光纤光棚传感器封装及其解调技术的国内外研究现状和水平
• 1.3 光纤光栅传感器的应用研究现状
• 1.4 本文研究内容、意义
• 1.4.1 木论文的研究意义
• 1.4.2 本论文的内容安排
• 第二章 光纤光栅应变传感结构及解调原理
• 2.1 前言
• 2.2 传感器的工作原理
• 2.2.1 光纤布拉格光栅的结构
• 2.2.2 应变传感原理
• 2.3 光纤光栅的封装
• 2.4 常见的FBG应变传感结构及应变计算
• 2.4.1 悬臂梁式结构
• 2.4.2 膜片式结构
• 2.4.3 弹簧管结构
• 2.5 常用的解调方式与系统构成
• 2.5.1 光栅匹配滤波器法
• 2.5.2 可调谐F-P滤波器法
• 2.5.3 边缘滤波器法
• 2.5.4 干涉法
• 2.5.5 其他解调方法的研究
• 2.6 本章小结
• 第三章 光纤光栅静态应变传感器的波长解调技术
• 3.1 前言
• 3.2 封装及结构
• 3.3 静态应变MATLAB仿真
• 3.4 实验
• 3.4.1 实验装置
• 3.4.2 实验结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 光纤光栅动态应变传感器的强度解调技术
• 4.1 前言
• 4.2 MATLAB仿真及原理说明
• 4.3 基于强度解调的光纤光栅动态应变传感器实验
• 4.3.1 实验装置
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 光纤动态应变传感器的M-Z干涉解调技术
• 5.1 前言
• 5.2 光纤M-Z干涉仪结构及原理
• 5.2.1 光纤M-Z干涉仪
• 5.2.2 光纤M-Z干涉应变传感
• 5.3 全光纤M-Z干涉测量实验
• 5.3.1 实验装置
• 5.3.2 实验结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢