基于荧光强度比的光纤布拉格光栅温度应变传感器

论文摘要

相比于普通电传感器,光纤温度传感器具有精度高、传感范围宽、不受电磁干扰等许多优点。基于荧光强度的稀土掺杂光纤温度传感器容易受到外界因素的干扰,比如泵浦源的波动,系统的光路损耗等,测量精度存在不确定性。利用稀土离子两个热偶能级荧光强度的比值随温度的变化特性,则可消除这种干扰,可以高精度的测量温度。光纤布拉格光栅在光纤传感领域有很广泛的应用,但是布拉格波长同时具有温度敏感性和应力敏感性,所以在利用布拉格光栅进行传感时,必须考虑将两者的相互影响区分。本文利用荧光强度比对应力的不敏感性,用它作为布拉格光栅传感时的温度补偿,实现了光纤布拉格光栅温度和应力的同时测量。主要工作成果有：1、理论研究了稀土掺杂光纤中稀土离子的能级结构及其吸收和荧光谱特性,主要分析了掺铒光纤中铒离子的能级结构以及Stark能级分裂对荧光谱的影响,说明了采用4113/2的Stark能级间的荧光强度比进行温度监测的原理,以及相比采用铒离子的2H11/2和4S3/2两个热偶能级的荧光强度比进行温度监测的优势。2、总结了近些年来国内外采用稀土掺杂光纤中稀土离子的热偶能级间的荧光强度比进行温度测量的研究进展,对比分析了采用不同稀土离子的荧光强度比的温度特性实现温度监测的优缺点。3、创新性地提出了采用铒离子激发态4113/2的Stark能级间的荧光强度比的温度特性进行温度测量,泵浦源可以采用980nm半导体激光器,而且产生的荧光位于1550nm光纤通信低损耗窗口,可以使用便宜的光电二极管探测器接收传感信号。在-30℃到150℃范围内,对4113/2的Stark能级间的荧光强度比进行实验研究,得出了荧光强度比值随温度的线性变化规律。4、在光敏掺铒光纤中刻写光纤布拉格光栅,使其同时受温度和应力的作用,光纤承受的基准温度由温控箱提供,应力由滑轮和砝码系统提供。每分钟改变一次光纤承受的温度和应力,并测量荧光强度比的变化△R和布拉格波长的移动量△λB,总共测量10次。根据荧光强度比的变化△R得到光纤温度的变化△T通过△T可以求得温度引起的布拉格波长移动量△λBT。光纤光栅反射波长随应力的变化△λBε=△λB一△λBT,根据△λBε。可以求得光纤承受的应力变化,通过10组数据分析传感系统温度和应力的测量精度以及工作的稳定性。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 研究光纤光栅传感的意义
• 1.1.1 FBG在大型复合材料和混凝土结构的健康监测应用
• 1.1.2 FBG传感器在电力工业中的应用
• 1.1.3 FBG传感器在医学领域中的应用
• 1.1.4 FBG传感器在其他领域的应用
• 1.2 研究掺铒光纤荧光强度比温度特性的意义
• 1.3 本论文所做的主要工作
• 2 光纤光栅及其传感
• 2.1 光纤光栅的起源
• 2.2 光纤光栅的种类
• 2.2.1 光纤布拉格光栅（FBG）
• 2.2.2 长周期光纤光栅（LPFG）
• 2.2.3 啁啾（Chirped）光纤光栅
• 2.2.4 切趾光纤光栅
• 2.3 光纤光栅温度应力传感交叉敏感问题及其解决方案
• 2.3.1 参考法
• 2.3.2 波长叠加法
• 2.3.3 不同包层直径的两只FBG相结合的方法
• 2.3.4 其他方法
• 2.4 光纤布拉格光栅传感信号的解调方法
• 2.4.1 波长-幅度转换
• 2.4.2 波长-频率转换
• 2.4.3 波长-相位转换
• 2.4.4 其他方法
• 2.5 本章小结
• 3 稀土掺杂光纤荧光强度比的温度特性
• 3.1 稀土元素及其能级跃迁特性
• 3+能级结构及其吸收和荧光谱特性'>3.1.1 Er³⁺能级结构及其吸收和荧光谱特性
• 3+的⁴I（13/2）和⁴I_15/2能级的Stark效应'>3.1.2 Er³⁺的⁴I（13/2）和⁴I_15/2能级的Stark效应
• 3.2 稀土离子荧光强度比的温度特性
• 3.3 稀土掺杂光纤荧光强度比温度测量的研究进展
• 3+掺杂光纤的荧光强度比测温'>3.3.1 Er³⁺掺杂光纤的荧光强度比测温
• 3+掺杂光纤的荧光强度比测温'>3.3.2 Nd³⁺掺杂光纤的荧光强度比测温
• 3+掺杂光纤的荧光强度比测温'>3.3.3 Yb³⁺掺杂光纤的荧光强度比测温
• 3.4 本章小结
• 4 FBG结合荧光强度比技术实现温度和应变同时测量
• 3+亚稳态Stark能级的荧光强度比温度特性的研究'>4.1 Er³⁺亚稳态Stark能级的荧光强度比温度特性的研究
• 3+亚稳态Stark能级的荧光强度比测温的原理分析'>4.1.1 基于Er³⁺亚稳态Stark能级的荧光强度比测温的原理分析
• 4I_13/2的Stark能级荧光强度比实验及其数据分析'>4.1.2⁴I_13/2的Stark能级荧光强度比实验及其数据分析
• 4.2 基于荧光强度比技术的FBG实现温度和应力同时测量
• 4.2.1 光纤布拉格光栅温度和应力同时测量原理
• 4.2.2 实验设计以及数据分析
• 4.3 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 本文所获得主要结论
• 5.2 前景展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集