FBG的金属化封装及其传感应用技术研究

论文摘要

光纤光栅是沿光纤轴向在纤芯内形成周期性折射率调制分布的一种新型光纤无源器件。由于它具有插入损耗低、抗电磁干扰、可进行波长选择等优点,现已广泛应用于通信领域,常见的光纤通信元器件主要有掺铒光纤放大器(EDFA)、波分复用器(WDM)、上下路波分复用器(OADM)和色散补偿器等。此外,光纤光栅还以灵敏度高、质量轻、体积小、易于阵列和能波长编码等优点,成为传感器领域的新宠。利用光纤光栅传感器实现恶劣环境下对高温、高压等参数的测量是目前传感领域研究的热点。本文介绍了光纤Bragg光栅(FBG)的发展,概述了FBG传感器中的温度测量、压力测量、温度—应变交叉敏感问题和解调技术的研究现状。最后简要介绍了FBG传感器在桥梁、航空航天、船舶和石油工业等领域的应用。阐述了FBG的模式理论及其传感原理,介绍了几种主要的FBG制备技术。依据本实验室现有的条件,利用紫外写入技术和相位掩模法研究并制备了FBG。通过正交实验分析的方法得到了最佳工艺条件。所制备的FBG被成功应用在大厦模型振动实验中,性能优良,充分验证了所制备的FBG适用于传感测量。为了解决FBG与传感机构的有效结合,并实现高温环境下的压力测量,本文采用化学镀镍与电镀锡相结合的技术,实现了FBG的金属化封装。通过实验分析了影响金属涂覆层质量的因素,得出了制作金属化封装光纤Bragg光栅(MFBG)的最佳工艺条件。利用本文所得到的MFBG制作了应变传感器,并将其成功地应用在实地桥梁的长期健康监测中,传感器性能稳定可靠,为桥梁的健康安全提供了有力保障。根据项目中提出的具体测量要求,利用弹性应变筒原理,设计了一种用于高温高压测量的、投入式的、双层金属筒式结构的MFBG压力传感器。通过有限元分析软件ANSYS分析了其结构设计的合理性,并通过计算得出采用不锈钢1Cr18Ni9材料制备的应变筒所能承受的最大压力理论上可达63MPa。利用参考光栅法,将传感光栅和参考光栅呈垂直方向放置,有效地解决了交叉敏感问题。所制作的MFBG压力传感器实验测得的压力范围为0～42MPa,环境温度为20～230℃,达到了设计要求。最后,提出了一种简易的、基于悬臂梁调谐的、匹配FBG传感器解调方案。分析并设计了整个解调系统,实现了高分辨率检测,降低了系统成本。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概论
• 1.2 光纤光栅的发展与分类
• 1.2.1 光纤Bragg光栅的发展
• 1.2.2 光纤光栅的分类
• 1.3 光纤Bragg光栅传感器及其解调技术研究现状
• 1.3.1 光纤Bragg光栅传感器研究现状
• 1.3.2 光纤Bragg光栅传感器解调技术研究现状
• 1.4 光纤Bragg光栅传感器的应用
• 1.4.1 桥梁健康监测
• 1.4.2 航天航空
• 1.4.3 船舶
• 1.4.4 石油化工
• 1.5 本论文的主要内容
• 2 光纤Bragg光栅的原理、制作、传感特性及应用
• 2.1 光纤Bragg光栅
• 2.2 光纤Bragg光栅的模式理论
• 2.2.1 耦合模理论
• 2.2.2 转移矩阵法
• 2.3 光纤Bragg光栅的制作技术概述
• 2.3.1 光纤的光敏性
• 2.3.2 光纤的增敏技术
• 2.3.3 光纤Bragg光栅的写入技术
• 2.4 光纤Bragg光栅的制作工艺及特性分析
• 2.4.1 高压低温载氢处理
• 2.4.2 制备工艺优化
• 2.4.3 退火处理
• 2.5 光纤Bragg光栅传感原理及特性
• 2.5.1 光纤Bragg光栅传感原理
• 2.5.2 光纤Bragg光栅的温度特性
• 2.5.3 光纤Bragg光栅的应变特性
• 2.6 应用实例——大厦地震模型实验
• 2.6.1 实验描述
• 2.6.2 实验结果及分析
• 3 光纤Bragg光栅的金属化封装工艺
• 3.1 光纤Bragg光栅的金属化封装工艺概述
• 3.2 光纤Bragg光栅预处理
• 3.2.1 除油
• 3.2.2 粗化
• 3.2.3 热处理
• 3.2.4 敏化和活化
• 3.3 化学镀镍处理
• 3.3.1 化学镀镍概述
• 3.3.2 化学镀镍药品
• 3.4 电镀锡处理
• 3.4.1 碱性光亮镀锡
• 3.4.2 酸性光亮镀锡
• 3.5 实验与讨论
• 3.5.1 敏化活化的影响
• 3.5.2 化学镀液PH值的影响
• 3.5.3 化学镀液温度的影响
• 3.5.4 电流密度的影响
• 3.5.5 金属化封装工艺条件总结
• 3.6 应用实例——桥梁健康监测
• 3.6.1 桥梁健康监测概述
• 3.6.2 实例说明
• 3.6.3 数据分析
• 4 用于石油井下测量的光纤Bragg光栅压力传感器
• 4.1 压力传感器结构的设计、分析及仿真
• 4.1.1 结构设计及理论分析
• 4.1.2 结构模拟仿真
• 4.2 交叉敏感问题的解决
• 4.3 光纤Bragg光栅的压力传感器系统
• 4.3.1 系统构成
• 4.3.2 实验装置
• 4.4 实验结果及分析
• 4.4.1 结构基材对压力测量的影响
• 4.4.2 薄壁内筒的内径和壁厚之比对压力测量的影响
• 4.4.3 温度补偿
• 4.4.4 金属化焊接
• 5 光纤Bragg光栅传感器信号解调系统的设计
• 5.1 光纤Bragg光栅传感器信号解调方法概述
• 5.2 光纤Bragg光栅调谐特性研究
• 5.2.1 调谐装置——悬臂梁
• 5.2.2 调谐驱动单元
• 5.3 解调系统构成
• 5.4 电控位移台的驱动
• 5.4.1 控制电路
• 5.4.2 硬件控制程序
• 5.4.3 软件控制程序
• 5.5 信号采集与转换
• 5.5.1 信号采集
• 5.5.2 信号转换
• 5.6 软件控制解调程序设计
• 5.6.1 全局扫描法
• 5.6.2 局部扫描法
• 5.7 实验结果及分析
• 结论
• 本论文的创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢