基于光纤光栅FP腔的温度检测方法

论文摘要

本文在研究光纤光栅FP腔（Fabry-Perot cavity, FP）传感特性的基础上,利用它的传感特性将其用于温度测量,即利用光纤光栅FP腔受外界温度影响的变化关系,将光纤光栅FP腔作为传感元件,并采用一种新颖的自相关解调方法达到温度测量的目的。相对于其他FP腔,光纤光栅FP腔具有许多优点：制作简单、复用潜力大,并保留了普通FP腔分辨率高和光纤光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）传感器可绝对测量的特点,扩大了测量范围。围绕着将光纤光栅FP腔用于温度测量的研究,本文的主要内容如下：（1）鉴于光纤光栅FP腔温度传感技术是光纤光栅和光纤FP腔的延伸和组合,分别介绍了它们各自的温度传感发展历程,并分析了它们在检测物理参数时所存在的主要问题,最后,列举了光纤光栅FP腔传感的主要解调方法。（2）从光纤中的麦克斯韦方程组出发,推导了描述模式耦合的耦合方程,并用耦合模理论对FBG的传输特性进行了分析,讨论了光栅长度和折射率调制对反光谱的影响。在此基础上,通过光束传播法和传输矩阵法分别推导了光纤光栅FP腔反射率和透射率的严格表达式。数值模拟分析了光纤光栅FP腔的光谱特性,并研究了光栅长度和FP腔长对反射光谱的影响。（3）分析了光纤光栅FP腔对温度的传感特性,在此基础上,介绍了一种适用于光纤光栅FP腔的自相关解调法。该方法使光纤光栅FP腔同时具有了测量分辨率高和可绝对测量的优点。同时还分析了光纤光栅FP腔的频分复用技术,并通过数值模拟说明了频分复用的过程,同时推广了自相关解调法的应用范围。为提高光纤光栅FP腔的复用数目,最后提出了一种波分复用与频分复用相结合的复用系统。（4）设计整个实验系统,分别对实验所需的仪器和设备的参数进行了说明,并完成了温度的单点检测,给出了相应的实验结果,利用温度传感实验验证了解调方法的可行性。本文为光纤光栅FP腔温度传感器的研究提供了理论和一定的实际应用依据,同时,得益于光纤通信的发展,光纤光栅FP腔的制作工艺越来越成熟,目前已可以实现大规模生产并进行现场检测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 光纤光栅及其温度传感器研究现状
• 1.3 光纤FP腔及其温度传感器研究现状
• 1.4 光纤光栅FP腔传感技术及主要解调方法
• 1.4.1 光纤光栅和光纤FP腔传感技术面临的主要问题
• 1.4.2 光纤光栅FP腔传感技术的优势
• 1.4.3 光纤光栅FP腔传感技术的主要解调方法
• 1.4.4 光纤光栅FP腔传感技术的应用与发展现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 光纤光栅FP腔的反射谱特性及其温度传感
• 2.1 光纤光栅的传输特性分析
• 2.1.1 正规模展开法和正规模场幅度耦合方程
• 2.1.2 单模光纤光栅中的模式耦合
• 2.1.3 光纤光栅的光谱特性及数值仿真
• 2.2 光纤FP腔的传输特性分析
• 2.3 光纤光栅FP腔的传输特性分析
• 2.3.1 传输矩阵法
• 2.3.2 光束传播法
• 2.3.3 光纤光栅FP腔的光谱特性及数值仿真
• 2.4 光纤光栅FP腔的温度敏感特性
• 2.5 光纤光栅FP腔的主要参数对反射谱的影响
• 第3章 光纤光栅FP腔温度传感解调及复用技术
• 3.1 光纤光栅FP腔反射波谱的快速傅里叶转换原理
• 3.2 光纤光栅FP腔温度传感信号的解调原理
• 3.3 光纤光栅FP腔传感器复用技术
• 3.3.1 基于FBG的复用技术
• 3.3.2 基于FP腔的频分复用技术
• 3.3.3 光纤光栅FP腔频分复用技术
• 3.3.4 波分复用与频分复用的组合复用
• 第4章 实验系统及数据分析
• 4.1 光纤光栅FP腔温度传感器的整体设计
• 4.1.1 ASE宽谱光源
• 4.1.2 光纤耦合器
• 4.1.3 光纤光栅FP腔的参数选择和制作
• 4.1.4 光谱分析仪
• 4.1.5 温控炉
• 4.1.6 傅里叶变换
• 4.2 温度测量实验
• 4.2.1 单点温度检测
• 4.2.2 多点温度检测
• 4.3 实验结论
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢