光纤光栅传感器解调技术及封装工艺的研究

论文题目: 光纤光栅传感器解调技术及封装工艺的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学

作者: 曹晔

导师: 董孝义,开桂云

关键词: 布喇格光纤光栅,长周期光纤光栅,啁啾光栅,干涉仪,温度传感,应变传感,倾角传感,交叉敏感,封装,高双折射光纤环镜,可调谐滤波器,波长解调,边沿滤波,分辨率,等强度梁,波分复用,空分复用,复用网络,阵列传感,轮辐式

文献来源: 南开大学

发表年度: 2005

论文摘要: 光纤光栅是一种新型的光子无源器件,它的出现,改变了人们在传感方面的传统观念。以光纤布拉格光栅(FBG)为传感元件的传感器具有重量轻、体积小、抗电磁干扰、易于光纤连接、波长绝对编码等优点,还能把多个传感器利用各种复用技术连接成传感网络,埋入材料和结构内部或贴装在其表面,实现对其特性(如温度、应变等)的多点监测。这种分布式传感是光纤光栅传感器独有的技术。这些独特的优点使得光纤光栅传感器在传感领域扮演着越来越重要的角色。目前,已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有:温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等,其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。本论文主要以光纤布拉格光栅为研究对象,对其传感技术、高速解调技术及封装技术进行了理论和实验的研究,主要内容包括:1、概况介绍了光纤光栅传感技术的出现、发展及现状。介绍了光纤光栅的三种基本理论分析方法。分析了光纤光栅传感的基本原理,并归纳比较了光纤光栅的各种封装技术、解调技术和复用技术。2、提出了光纤光栅温度传感器和应变传感器的多种制作方法,详细阐述了封装原理和结构,并在数据分析的基础上提出了“减大数”的数据分析方法,有效提高了数据分析的精度。温度传感器的设计结构在30℃—85℃的温度变化范围内有效的实现了封装元件的裸删温度特性及应变不敏感性,保证了其高稳定性和重复性。分析了应变传感器的应变传递特性,并得到了实验验证。实验结构证明,用薄金属片封装的应变传感器在保证一定机械强度的基础上实现了应变的有效传递,应变传递效率可达97.8%,应变灵敏度为83.34με/kg,精度为1.64με。这两种传感器具有抗电磁干扰,体积小、质量轻,机械强度大等优点。3、在对高双折射光纤环镜进行理论分析的基础上,研究了其温度特性,实现了对温度的传感。还利用其滤波特性实现了对微振动的解调,并在此基础上提出了利用光纤光栅解调加速度的新方法。该解调系统解调速度快,可达几十kHz,波长分辨率为0.97nm/mv,精度可达2Hz,测量范围是0-200Hz。4、提出用轮辐式结构封装光纤光栅的方法,并用研制出一种轮辐式光纤光栅压力传感器,并采用双光栅法克服了温度应变交叉敏感问题。该传感器测量范围大,在0—30KN的压力变化范围内,布拉格波长的变化与压力成良好的线性关系,线性度高达0.9998,灵敏度为0.02843nm/KN,精度为0.70KN。研究结

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 光纤光栅概述

1.1.1 光纤的出现

1.1.2 光纤光栅的出现和发展

1.1.3 光纤光栅的分类

1.2 光纤光栅传感技术的发展和应用

1.2.1 光纤和光纤光栅传感的优势

1.2.2 光纤光栅传感技术的发展概况

1.2.2.1 光纤光栅传感技术研究状况

1.2.2.2 光纤光栅传感技术应用概况

1.2.3 光纤光栅传感技术实用化需要解决的问题

1.3 本文主要内容及创新点

1.3.1 本文主要内容

1.3.2 创新点

第二章 光纤光栅理论分析方法与写制技术

2.1 光纤光栅理论分析方法

2.1.1 耦合膜理论

2.1.1.1 耦合膜方程

2.1.1.2 光纤布拉格光栅

2.1.1.3 长周期光纤光栅

2.1.2 传输矩阵分析法

2.1.3 傅氏变换分析法

2.2 光纤光栅写制技术

2.2.1 短周期光纤光栅的写制

2.2.2 长周期光纤光栅的写制

2.2.3 啁啾光纤光栅的写制

2.2.4 新的光纤光栅的制作方法

2.3 小结

第三章 光纤光栅封装技术的研究

3.1 概述

3.2 光纤 Bragg 光栅传感原理

3.3 封装技术的分类

3.3.1 保护性封装

3.3.1.1 表贴式封装

3.3.1.2 管式封装

3.3.2 敏化封装

3.3.2.1 增敏性封装

3.3.2.2 减敏性封装

3.3.3 补偿性封装

3.4 光纤光栅温度、应变传感器的研制

3.4.1 光纤光栅温度传感器的研制

3.4.1.1 结构的设计

3.4.1.2 封装过程中应该注意的几个问题

3.4.1.3 实验数据及分析

3.4.1.4 结论

3.4.2 光纤光栅应变传感器的研制

3.4.2.1 传感器原理分析及结构设计

3.4.2.2 实验结果及分析

3.4.2.3 结论

3.5 小结

第四章 高速光纤光栅解调技术的研究

4.1 概述

4.2 单光纤光栅的解调技术

4.2.1 干涉解调法

4.2.1.1 非平衡M-Z 干涉解调法

4.2.1.2 非平衡迈克尔逊(Michelson)干涉仪解调法

4.2.1.3 高双折射光纤环镜干涉解调法

4.2.2 滤波解调法

4.2.2.1 匹配光纤光栅调谐滤波解调法

4.2.2.2 可调谐光纤F-P 滤波器解调法

4.2.2.3 可调谐激光器波长匹配解调法

4.2.2.4 边沿滤波法

4.3 光纤光栅复用技术

4.3.1 波分复用(WDM)技术

4.3.2 空分复用(SDM)技术

4.3.3 时分复用(TDM)技术

4.3.4 混合复用（WDM+TDM+SDM）技术

4.3.5 光频域反射复用(OFDR)技术

4.4 光纤光栅微振动高速解调系统的研究

4.4.1 概述

4.4.2 高双折射光纤环镜的滤波原理

4.4.3 高双折射光纤环镜的温度特性理论计算及实验

4.4.3.1 高双折射光纤环镜温度特性的理论分析

4.4.3.2 高双折射光纤环镜温度特性实验

4.4.3.3 基于高双折射光纤环镜的温度传感实验

4.4.4 基于环镜滤波的微振动传感实验研究

4.4.4.1 概述

4.4.4.2 实验装置

4.4.4.3 实验结果

4.4.4.4 实验结果分析

4.4.4.5 高双折射光纤环镜解调法与匹配光栅解调法在微振动检测中的对比

4.4.4.6 实验装置的改进

4.4.4.7 结论

4.5 GCW 系列光纤光栅传感网络解调系统的研制

4.6 三角形光纤光栅温度和滤波特性实验研究

4.6.1 三角形光纤Bragg 光栅温度特性分析

4.6.2 应变传感实验

4.7 小结

第五章 光纤光栅传感的两个应用

5.1 轮辐式光纤光栅压力传感器的研制

5.1.1 传感原理分析

5.1.2 压力传感实验

5.1.3 温度应变交叉敏感问题的克服

5.2 光纤光栅倾角传感器的研制

5.2.1 系统设计原理

5.2.2 倾角传感及温度补偿实验

5.3 小结

结束语

参考文献

攻读博士学位期间发表的和待发表的论文

致谢

发布时间: 2006-10-30

参考文献

• [1].基于光纤光栅传感器的智能复合材料构建与状态监测技术研究[D]. 耿湘宜.山东大学2018
• [2].阵列化光纤光栅传感器技术研究[D]. 董兴法.南开大学2005
• [3].布拉格光纤光栅传感器理论与实验研究[D]. 恽斌峰.东南大学2006
• [4].锥形光纤光栅应变传感器及解调技术研究[D]. 杨先辉.哈尔滨工业大学2007
• [5].光纤光栅传感器复用关键技术的研究与应用[D]. 张金涛.合肥工业大学2015
• [6].光纤光栅在工程结构检测中的应用与实验研究[D]. 吕辰刚.天津大学2007
• [7].光纤光栅传感产业化技术研究及应用[D]. 王月明.武汉理工大学2009

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