布拉格光纤光栅传感器理论与实验研究

论文摘要

布拉格光纤光栅自从70年代末出现以来,由于其良好的滤波特性和灵敏的温度和应变响应,已经在光纤通信、传感和测量领域取得了广泛应用。本文主要对布拉格光纤光栅的准分布式和分布式传感特性进行了理论和实验研究。本文首先对准分布式复用型布拉格光纤光栅传感器系统中的关键技术（波长解调）进行了理论和实验研究。采用可调谐光纤激光器作为系统光源提高信号强度,数字滤波等信号处理技术提高了系统分辨率,并结合波分复用技术实现了解调速度为4Hz,分辨率为1μstrain,通道间隔为1nm,光谱范围在C波段的复用型准分布式布拉格光纤光栅应变传感器解调系统。而且通过采用LabView+数据采集卡进行数据采集、处理和软件监控,实现了系统的远距离自动化实时监测。通过结合金属铝封装和腐蚀光纤光栅相结合的方法,首次提出了新型的温度增敏型布拉格光纤光栅温度传感器封装,封装后的光纤光栅在温度范围内,其等效温度灵敏度比普通光纤光栅提高了约5.53倍。这种封装不仅实现了光纤光栅的高温度灵敏度系数,而且通过替换封装材料和控制光纤腐蚀程度,可以方便地在一定范围内实现各种不同的温度灵敏度光纤光栅传感器,使其可以满足各种需要。20°C90°C对分布式布拉格光纤光栅传感器进行了理论研究,通过对非均匀应变场中的布拉格光纤光栅光谱建模,分析了传输矩阵法和龙格-库塔这两种方法的区别,并结合两者优点改进了用于分析非均匀应变的模型;还首次提出了基于退火进化和自适应遗传算法的光纤光栅光谱重构技术,改进了现有的光谱重构方法,使其更加适用于布拉格光纤光栅的分布式传感应用,这种分布式传感可以应用于探测微小结构的应变分布和温度分布。最后,基于布拉格光纤光栅包层模式的谐振波长在一定条件下受到外界折射率的影响的原理,首次提出了采用布拉格光纤光栅包层模式进行折射率传感的方案,并采用光纤三层模型分析了布拉格光纤光栅包层模的折射率传感特性,实验结果表明在1.331.4584的折射率范围内,包层模式耦合波长随外界折射率增大而增大,在接近光纤包层折射率处具有很高的折射率灵敏度,最大达到了172nm/riu （refractive index unit）。

论文目录

• 摘 要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤传感技术简介
• 1.2 布拉格光纤光栅传感器的特点和应用
• 1.3 布拉格光纤光栅传感研究进展
• 1.3.1 布拉格光纤光栅传感器的波长解调技术
• 1.3.2 布拉格光纤光栅传感器应变温度分辨
• 1.3.3 布拉格光纤光栅传感器的封装埋设技术
• 1.3.4 布拉格光纤光栅传感器的复用技术
• 1.4 本论文工作的主要研究内容和创新点
• 参考文献
• 第二章 布拉格光纤光栅理论分析及传感机理
• 2.1 基于耦合模理论的布拉格光纤光栅分析方法
• 2.2 准分布式布拉格光纤光栅的传感机理
• 2.3 基于传输矩阵的布拉格光纤光栅分析方法
• 2.4 分布式布拉格光纤光栅的传感机理
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 基于可调谐激光的布拉格光纤光栅波长解调系统
• 3.1 波长解调系统的原理与制作
• 3.1.1 布拉格光纤光栅的刻写
• 3.1.2 波长解调系统的搭建
• 3.2 布拉格光纤光栅应变解调实验
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 布拉格光纤光栅的温度增敏型封装与制作
• 4.1 理论分析
• 4.2 温度增敏封装技术
• 4.3 实验结果与分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 分布型布拉格光纤光栅传感器理论研究
• 5.1 非均匀应变场中布拉格光纤光栅的数值模拟
• 5.2 基于退火进化算法的布拉格光纤光栅光谱重构技术
• 5.3 基于自适应遗传算法的布拉格光纤光栅光谱重构技术
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 布拉格光纤光栅包层模的折射率传感特性研究
• 6.1 布拉格光纤光栅包层模折射率传感特性理论分析
• 6.2 布拉格光纤光栅包层模折射率传感实验
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 总结与展望
• 博士期间发表文章
• 致谢