光纤光栅传感网络技术研究与应用

论文摘要

传感技术是信息技术的重要支柱。而光学传感,尤其是光纤传感技术,是近些年来发展最为迅速的传感技术之一。由于光纤具有许多优良的特性,因此其在复杂恶劣环境中,成为不可替代的传感器件。光纤光栅是一种新型的光无源器件。它是利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布,其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为方式。光纤光栅的出现,使许多复杂的全光纤通信网络和传感网络成为可能,极大地拓宽了光纤技术的应用范围,并由此产生了许多重要的应用。作为光子研究领域的一种新兴技术,以光纤和光纤光栅为基本传感器件的传感技术近年来受到普遍关注,各国研究者积极开展有关研究工作。本报告结合国家863重点项目“光纤光栅传感系统中的关键技术及实用化研究”和天津市重点攻关项目“工程化光纤光栅传感器及其网络解调系统设备研制”等,并考虑当前光纤和光纤光栅传感网络技术的发展方向和主要问题,主要对光纤和光纤光栅的传感技术、解调技术以及网络技术进行了理论和实验的研究工作。报告的主要内容有:1.以光纤光栅作为传感器件,对光纤光栅的增敏和减敏技术进行了研究,开发出一套完整的封装工艺,并研制开发了多种适合工程使用的光纤光栅传感器。2.采用可调谐法布里-珀罗滤波器作为核心解调器件,利用并行解调方案,设计并制作实现了工程化光纤光栅传感网络解调设备（GCW型光纤光栅传感网络解调系统）,实现了光纤光栅传感器网络的波长解调,性能优良,被鉴定为国际先进水平。3.对倾斜光纤光栅进行了理论分析。在柱坐标系下推导了倾斜光纤光栅的传输公式并进行了理论模拟。采用倾斜光纤光栅作为核心解调器件,采用边沿检测的方法,实现了800nm波段的倾斜光纤光栅波长解调系统,并利用该系统进行了温度和应变的传感的实验。4.针对一般可调谐激光器输出功率随波长变化的问题,采用自动功率控制方法,通过在掺铒光纤环行腔激光器内加入功率负反馈,设计并实验成功一种均衡功率的C+L波段的掺铒光纤可调谐激光器。波长调谐范围为87nm（1525-1612nm）,覆盖了整个C+L波段。输出激光功率0.7mW,3dB带宽为0.26nm,各波长激光的边模抑制比高于55dB。5.在光纤传感方面,对各种光纤围栏的可行性技术进行了探讨与分析。同时,利用M-Z干涉技术,设计并实现了一种实用的光纤围栏系统,进行了单点和多点扰动的实验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤传感技术
• 1.2 光纤光栅传感技术
• 1.2.1 光纤光栅概述
• 1.2.2 光纤光栅的分类
• 1.2.3 光纤光栅传感技术
• 1.3 光纤光栅传感技术国内外研究现状及发展前景
• 1.4 本报告研究的主要内容
• 第二章 光纤光栅理论与分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 光纤光栅耦合模理论
• 2.3 光纤光栅传输矩阵分析方法
• 2.4 光纤光栅傅氏变换分析方法
• 2.5 多层薄膜叠加法
• 第三章 工程化光纤光栅传感器的研究与实现
• 3.1 FBG传感原理
• 3.1.1 FBG传感基本原理
• 3.1.2 FBG的温度传感原理
• 3.1.3 FBG的应变传感原理
• 3.2 工程化FBG温度传感器
• 3.2.1 裸栅温度特性实验
• 3.2.2 FBG温度传感器设计思路
• 3.2.3 FBG温度传感器设计
• 3.2.4 实验结果与分析
• 3.3 工程化FBG应变传感器
• 3.3.1 FBG应变传感器设计思路
• 3.3.2 FBG应变传感器设计
• 3.3.3 实验结果及分析
• 3.4 轮辐式FBG压力传感器
• 3.4.1 传感器结构
• 3.4.2 感测原理
• 3.4.3 实验结果及分析
• 第四章 工程化光纤光栅网络解调系统设计与实现
• 4.1 系统简介
• 4.2 系统原理
• 4.2.1 光纤光栅传感网络的波分复用技术
• 4.2.2 FFP－TF的解调原理
• 4.3 系统方案
• 4.3.1 系统组成方框图
• 4.3.2 系统结构原理
• 4.3.3 FBG峰判别
• 4.4 系统性能分析
• 4.4.1 系统定标
• 4.4.2 误差分析
• 4.4.3 可靠性设计和预计
• 4.5 系统测试
• 4.5.1 系统测试原理
• 4.5.2 测试结果
• 第五章 倾斜光纤光栅研究
• 5.1 柱坐标系下的ＴFBG理论分析
• 5.2 TFBG的写制
• 5.3 TFBG解调原理
• 5.4 800mm波段TFBG解调系统
• 第六章 均衡功率可调谐激光器研究
• 6.1 激光器结构
• 6.2 功率均衡
• 6.3 实验结果与分析
• 第七章 光纤围栏技术实验研究
• 7.1 光纤围栏可行性技术方案分析
• 7.1.1 OTDR 技术
• 7.1.2 Sagnac 光纤干涉技术
• 7.1.3 Michelson干涉技术
• 7.1.4 M-Z干涉技术
• 7.2 M-Z 光纤围栏系统实验
• 7.2.1 系统结构
• 7.2.2 消光比测量
• 7.2.3 光纤围栏实验
• 7.2.4 讨论
• 致谢
• 参考文献
• 博士后工作期间发表的和待发表的论文
• 博士后工作期间参加和完成的科研项目
• 结束语