保偏光纤布拉格光栅传感技术研究

论文摘要

作为一种新型的传感技术,光纤布拉格光栅有着普通传感器无法比拟的优点,在建筑、桥梁以及航空航天等领域都有着广阔的应用前景。现阶段投入使用的光纤布拉格光栅传感器主要利用的是其轴向应力、应变特性。标准光纤布拉格光栅只对温度和轴向应变敏感,而对在实际应用中同样十分重要的径向应变却不敏感,这在很大程度上限制了它的应用。本论文研究了一种保偏光纤布拉格光栅称重传感器,可以同时测量温度和横向负载。理论分析表明保偏光纤布拉格光栅的两个谐振波长对温度和横向负载的灵敏度不同,可以用保偏光纤布拉格光栅作为敏感元件来实现两者的同时测量。本文用ANSYS软件仿真分析了保偏光纤的原始双折射,研究了影响原始双折射的一些结构因素。这些分析结果可以为保偏光纤的结构优化提供参考。分别搭建了保偏光纤布拉格光栅的温度、轴向应变和横向负载传感实验系统并进行了实验研究。实验结果表明保偏光纤布拉格光栅的两个谐振波长对温度和轴向应变都敏感,即存在交叉敏感问题。两谐振波长的波长差对温度只有很低的灵敏度,对轴向应变很不敏感,而对横向负载的灵敏度具有很强的方向相关性。最后,分析了两种接触材料对保偏光纤布拉格光栅横向负载传感性能的影响。选择了明胶作为保偏光纤布拉格光栅称重传感器的接触材料,完成了传感头结构的初步设计。该传感头利用保偏光纤布拉格光栅的一个谐振波长和谐振波长差可以实现温度和横向负载的同时测量。其对横向负载的测量范围为0～300kg,最高精度为0.3kg,对温度的测量范围为25℃～80℃,测量精度为1℃。它具有重量轻、体积小、灵敏度高、绝缘性好、抗电磁干扰以及便于远程监测等优点,可以应用于称重领域。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 基于双折射效应的光纤光栅称重方法研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文的研究目的及主要内容
• 2 PMFBG的光学传感特性
• 2.1 PMF的特征参数及分类
• 2.1.1 单模光纤中的偏振
• 2.1.2 PMF的特征参数
• 2.1.3 PMF的分类及其制作方法
• 2.2 PMFBG的光学特性
• 2.2.1 PMFBG的传光原理
• 2.2.2 PMFBG的基本光学参数
• 2.2.3 PMFBG反射峰的传感要求
• 2.2.4 PMFBG的机械强度
• 2.3 PMFBG的基本传感原理
• 2.3.1 PMFBG的温度及轴向应变特性
• 2.3.2 PMFBG的横向负载特性
• 2.3.3 PMFBG的横向负载灵敏度
• 2.3.4 用PMFBG实现温度和横向负载同时测量的方案
• 2.4 本章小结
• 3 PMFBG横向负载传感器的有限元分析
• 3.1 PMF原始双折射的有限元分析
• 3.1.1 熊猫型PMF原始双折射的有限元分析
• 3.1.2 不同几何尺寸PMF的原始双折射分析
• 3.2 横向负载作用下PMFBG的接触分析
• 3.2.1 PMFBG的接触长度与接触材料的关系
• 3.2.2 PMFBG横向负载灵敏度与接触材料的关系
• 3.3 本章小结
• 4 PMFBG传感特性的实验研究
• 4.1 PMFBG温度传感特性的实验研究
• 4.1.1 PMFBG温度传感实验系统
• 4.1.2 实验数据分析方法
• 4.1.3 PMFBG温度传感实验
• 4.2 PMFBG轴向应变传感特性的实验研究
• 4.2.1 PMFBG轴向应变传感实验系统
• 4.2.2 PMFBG轴向应变传感实验
• 4.3 PMFBG横向负载传感特性的实验研究
• 4.3.1 PMFBG横向负载传感实验系统
• 4.3.2 采用橡胶作接触材料的实验研究
• 4.3.3 采用明胶作接触材料的实验研究
• 4.4 PMFBG传感性能分析
• 4.4.1 接触材料对PMFBG横向负载传感特性的影响
• 4.4.2 光栅长度对PMFBG光学传感特性的影响
• 4.4.3 PMFBG对温度和横向负载的测量范围和精度
• 4.4.4 用PMFBG进行温度和横向负载同时测量的方法
• 4.4.5 用PMFBG进行其它参数测量的方法
• 4.5 PMFBG称重传感头的结构设计
• 4.5.1 传感头的结构
• 4.5.2 传感头的精度与量程
• 4.5.3 传感头的封装
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文