聚合物Bragg光纤光栅的制作及其传感特性的研究

论文摘要

Bragg光纤光栅作为一种新型的基于波长检测的传感器,具有尺寸小、重量轻、抗电磁干扰、并且重复性好等众多优点,是目前传感器研究的主流之一。绝大多数Bragg光纤光栅传感器还是基于石英光纤,自从1999年聚合物光纤光栅首次报道以来,聚合物光纤光栅引起了越来越多的关注。聚合物光纤光栅比石英光纤光栅有更多的优点,如柔韧性、好的生物相容性、更小的杨氏模量、更大的热光系数和更大的热膨胀系数,所以聚合物光纤光栅能够提供更高的灵敏度和更宽的响应范围。本文就掺杂安息香二甲醚(BDK)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合物Bragg光纤光栅的制作及其传感特性进行了深入的理论分析和实验研究,主要包括单模和多模聚合物Bragg光纤光栅的制作、单模聚合物Bragg光纤光栅的应力、应变和温度等传感特性以及多模Bragg光纤光栅各模式的传感特性差异,取得了若干具有创新性的成果。本文的主要内容总结如下:描述了聚合物Bragg光纤光栅的物理模型,并使用耦合模理论计算了聚合物Bragg光纤光栅各结构参数对其光谱特性的影响。分析了掩模板的0级衍射对刻写的Bragg光纤光栅周期的影响,在此基础上提出了本论文中使用的改进的掩模法刻写光纤光栅系统。使用预制拉丝法制作了纤芯掺杂光敏性聚合物材料BDK的单模和多模聚合物光纤,在其上刻写了Bragg光纤光栅,并测量了聚合物Bragg光纤光栅的光谱。通过对聚合物Bragg光纤光栅光谱动态形成过程的监测,研究了这种掺杂BDK的PMMA聚合物光纤的光敏性,分析了在曝光过程中光纤纤芯折射率改变量随曝光时间的变化。研究了聚合物Bragg光纤光栅的应力、应变和温度等传感特性,并与石英光纤光栅的相应传感特性进行了对比。与石英材料不同,聚合物材料作为一种高分子材料,其最大的特点的是力学性能具有粘弹性,主要体现在蠕变和应力松弛两个方面。使用标准线性固体模型,分析了聚合物材料的粘弹性,并分析了粘弹性对聚合物Bragg光纤光栅应力和应变的传感特性的影响。模型中,主要考虑了蠕变对聚合物Bragg光纤光栅应力特性的影响以及应力松弛对光纤光栅应变特性的影响,并通过实验进行了验证。结果表明,聚合物Bragg光纤光栅在加载应力的瞬间,会产生一个瞬时的波长移动,并随着时间继续向长波方向蠕变,并在一定的时间后达到平衡状态。在小应力范围内,该蠕变量的大小和与施加的应力成线性关系。聚合物材料的应力松弛会对Bragg光纤光栅的应变传感特性造成影响也会使Bragg波长缓慢漂移,但在小应变条件下漂移量很小,其Bragg波长随应变的变化具有良好的线性度。聚合物Bragg光纤光栅与石英Bragg光纤光栅相比具有极高的应力灵敏度和温度灵敏度,约为石英Bragg光纤光栅的10倍,应变灵敏度则与石英Bragg光纤光栅相当。使用耦合模理论讨论了多模光纤的模式耦合,模拟了多模聚合物Bragg光纤光栅的反射谱。分析了多模聚合物Bragg光纤光栅不同模式的Bragg波长对应变和温度的传感特性并进行了实验验证。结果表明各模式的Bragg波长对应变具有几乎相同的灵敏度系数,各模式的温度灵敏度系数则与纤芯和包层的热光系数有关。纤芯和包层的热光系数差越大,则各模式的Bragg波长温度灵敏度系数差越大。对于聚合物光纤,由于其材料的相容性以及不等种类的聚合物热光系数差别很大,我们可以构造芯层包层热光系数差别很大的光纤,从而使不同模式具有不同温度灵敏度。在此基础上,提出了使用多模聚合物光纤光栅的不同模式来实现应变与温度传感分离测量的方法,并进行了仿真计算。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 光纤传感技术的发展

1.2 石英Bragg 光纤光栅的研究状况

1.2.1 石英光纤光栅的光敏性

1.2.2 Bragg 光纤光栅的制作方法

1.2.3 Bragg 光纤光栅的折射率调制方式

1.2.4 石英Bragg 光纤光栅的传感特性

1.3 聚合物光纤光栅的研究状况

1.3.1 聚合物光纤的发展

1.3.2 聚合物光纤光栅的研究状况

1.4 本论文的主要工作及创新点

参考文献

第2章聚合物 Bragg 光纤光栅的制作

2.1 引言

2.2 光纤光栅理论

2.2.1 光纤光栅模型

2.2.2 光纤光栅的耦合模理论

2.2.3 Bragg 光纤光栅耦合模理论

2.3 聚合物光纤光栅刻写系统

2.3.1 相位掩模法刻写光纤光栅

2.3.2 改进的基于相位掩模板的双光束干涉系统

2.4 光敏性聚合物光纤及光纤光栅的制作

2.4.1 聚合物光纤的光敏性

2.4.2 聚合物光纤预制棒的制作

2.4.3 单模和多模聚合物光纤的拉制

2.4.4 聚合物Bragg 光纤光栅谱线模拟

2.4.5 聚合物光纤光栅检测装置

2.5 聚合物光纤光栅的动态形成过程

2.6 本章小节

参考文献

第3章单模聚合物 Bragg 光纤光栅的传感特性

3.1 引言

3.2 聚合物材料的粘弹性

3.2.1 聚合物材料的蠕变

3.2.2 聚合物的应力松弛

3.2.3 聚合物粘弹性的力学模型

3.3 聚合物Bragg 光纤光栅的应力特性

3.3.1 应力引起Bragg 波长漂移的理论分析

3.3.2 聚合物光纤光栅应力特性实验

3.4 聚合物Bragg 光纤光栅的应变特性

3.4.1 应变特性的理论分析

3.4.2 聚合物光纤光栅应变实验

3.5 聚合物Bragg 光纤光栅的温度特性

3.5.1 温度特性的理论分析

3.5.2 波导效应对温度灵敏度的影响

3.5.3 聚合物光纤光栅温度特性的实验研究

3.6 本章小节

参考文献

第4章多模聚合物 Bragg 光纤光栅传感特性

4.1 引言

4.2 多模光纤光栅的模式耦合

4.3 多模聚合物光纤光栅的应变特性

4.4 多模聚合物光纤光栅温度特性

4.5 多模聚合物光纤光栅传感特性实验结果

4.5.1 多模聚合物光纤光栅应变特性实验结果

4.5.2 多模聚合物光纤光栅温度特性实验结果

4.6 多模聚合物光纤光栅温度应变同时测量可能性分析

4.7 本章小结

参考文献

第5章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢

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