封闭型微光纤法珀传感器应变特性研究

论文摘要

自光纤传感器问世以来,由于其具有高可靠性、抗腐蚀、不受电磁干扰、复用能力强、传输损耗低、传输距离长等传统电传感器无法比拟的优点而备受科研人员的关注,成为近几十年发展最快的光纤无源器件。而在众多的光纤传感器中,光纤法珀传感器无疑占有非常重要的一席,是技术最成熟的、应用最广泛的一类,在传感领域显示了良好的应用前景。随着研究的深入,人们对光纤法珀传感器器件微型化、轻量化,耐高温能力、在易燃易爆等恶劣环境下工作等方面提出了新的迫切的要求。微纳传感器已成为国际前沿研究新的热点之一。导师饶云江教授及其团队于2006年在国际上首次提出了一种封闭型微光纤法珀传感器结构并成功地利用157nm准分子激光器在光纤上实现了该传感器。本课题就是以这种封闭型微光纤法珀传感器为基础,围绕应变特性展开研究。主要工作和成果如下:I.概述了157nm准分子激光微加工技术和基于该技术制作封闭型微光纤法珀传感器的方法。研究了该封闭型微光纤法珀传感器在常温下的应变特性（0με-2000με）以及自由状态下的温度特性（-50°C -50°C ）。研究发现,这种新结构的光纤法珀传感器具有良好的线性应变传感特性（线性系数达0.9985）和温度不敏感性（灵敏度为0.001nm/°C ）,可望用于制作常规应变传感器,应用于高速公路、桥梁、大坝等大型建筑结构的健康监测中。II.在常温应变特性实验基础上,进一步研究了封闭型微光纤法珀传感器的高温应变特性,提出了长周期光纤光栅与封闭型微光纤法珀传感器级联的组合传感器。研究结果表明,该组合传感器不仅可以实现高温环境下（650°C ）应变的精确测量,还能解决困扰单光纤传感器的温度和应变交叉敏感问题,可望用于制作高温应变传感器,应用于锅炉外壁、航天航空发动机、复合材料等高温领域的应变测试。III.研究了封闭型微光纤法珀传感器的准静态应变特性,并与电阻应变片做了对比实验。研究发现,封闭型微光纤法珀传感器在抗电磁干扰和微小应变测量方面性能大大优于传统的电阻应变片。同时,本文还研究了动态传感信号的解调系统。研究发现,双通道强度自校准系统有助于解决简单化、低成本、小型化、可靠且灵敏的探测系统的开发难题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词表
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 应变传感器种类及其优缺点
• 1.2.1 电式传感器
• 1.2.2 光纤传感器
• 1.2.2.1 光纤法珀应变传感器
• 1.2.2.2 光纤布拉格光栅应变传感器
• 1.2.2.3 长周期光纤光栅应变传感器
• 1.3 国内外研究概况
• 1.4 本论文主要研究内容及其意义
• 第二章 光纤法布里‐珀罗应变传感器的基本原理
• 2.1 光纤F‐P 传感器的基本原理
• 2.2 光纤F‐P 传感器的分类
• 2.2.1 本征型光纤法珀干涉仪传感器
• 2.2.2 非本征型光纤法珀干涉仪传感器
• 2.2.3 线性复合腔光纤法珀传感器
• 2.3 光纤F‐P 传感器的信号解调
• 2.3.1 强度解调
• 2.3.1.1 基本原理
• 2.3.1.2 补偿方法
• 2.3.2 相位解调
• 2.3.2.1 基本原理
• 2.3.2.2 条纹计数法
• 2.4 本章小结
• 第三章 封闭型微光纤F‐P 传感器制作及其基础传感特性研究
• 3.1 封闭型微光纤F‐P 传感器的制作
• 3.2 激光加工技术
• 3.2.1 飞秒激光加工技术
• 3.2.1.1 准分子激光加工技术
• 3.2.2 基于准分子激光加工的封闭型微光纤 F-P 传感器
• 3.2.2.1 157nm 激光微加工系统
• 3.2.2.2 传感器设计及制作
• 3.3 封闭型微光纤F‐P 传感器的基础传感特性
• 3.3.1 应变特性
• 3.3.2 温度特性
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于封闭型微F‐P 传感器的温度和应变多参数同时测量
• 4.1 长周期光纤光栅的制作
• 4.2 温度应变多参数同时测量
• 4.2.1 组合传感器结构
• 4.2.2 测量原理
• 4.2.3 实验结果
• 4.3 本章小节
• 第五章 封闭型微光纤F‐P 传感器的动态应变
• 5.1 准静态应变对比实验
• 5.1.1 悬臂梁应变理论分析
• 5.1.2 应变片理论分析
• 5.1.3 准静态应变实验
• 5.2 动态应变实验
• 5.2.1 解调系统
• 5.2.2 实验结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 结语
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间的研究成果