锥形光纤Bragg光栅制备及其传感特性研究

论文摘要

随着光纤光栅的理论研究和制作技术的日益深入和成熟,光纤传感技术的应用得到了极大的发展。但是,光纤光栅对温度和应变的检测存在交叉敏感问题,即温度和应变会同时引起光纤光栅的峰值波长变化,通过检测单个光纤光栅无法对温度和应变加以区分,这已成为制约光纤光栅传感器实用化的主要问题之一。国内外的研究表明,特殊光纤光栅的研制为解决此问题提供了有效的途径,因此本文开展锥形光纤Bragg光栅的制备及其传感技术研究。光纤Bragg光栅的耦合模理论分析表明,当光纤包层的直径锥形化后,光纤Bragg光栅的有效带宽呈现随应变增加而拓宽、对温度变化不敏感的啁啾特性。因此,本文采用化学腐蚀的方法,利用组分、浓度不同的腐蚀液对光纤Bragg光栅进行腐蚀,制作出不同锥度的锥形光纤Bragg光栅,并对这种光栅的传感特性进行了深入的分析。本文以单片机为核心,设计并实现了锥形光纤Bragg光栅的腐蚀控制系统,通过调节精密位移台的移动速度,控制光纤在腐蚀液中的腐蚀速度,实现对光纤腐蚀过程的精密控制,制作出了不同锥度的锥形光纤Bragg光栅。利用VC开发了控制整个腐蚀过程的控制软件（CausticControl）,实现了腐蚀过程控制命令的自动编辑、手动编辑、下载以及腐蚀系统运行状态的实时监控。搭建温度、应变测试系统,使用光谱仪对所制作的锥形光纤光栅的传感特性进行了分析及标定,并对结果进行了验证。不同锥度光纤Bragg光栅的温度及应变特性的检测结果表明:锥形光纤光栅在应力作用下,其中心波长向长波方向移动的同时,带宽随着应变的增加而拓宽,且锥度越大其带宽-应变灵敏度系数也越大,并具有良好的线性关系;锥形光纤光栅的带宽与温度变化无关。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 光纤光栅简介
• 1.3 光纤Bragg光栅的研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 2 光纤Bragg光栅的传感原理及其制作工艺
• 2.1 光纤光栅的传感原理
• 2.1.1 光纤Bragg光栅的传感原理
• 2.1.2 锥形光纤Bragg光栅的传感原理
• 2.2 光纤Bragg光栅的耦合模理论
• 2.3 光纤Bragg光栅的制作
• 2.3.1 光纤光敏性机理
• 2.3.2 载氢处理技术
• 2.3.3 光纤Bragg光栅写入
• 2.3.4 光纤Bragg光栅退火特性
• 2.4 锥形光纤制作方法
• 3 锥形光纤Bragg光栅腐蚀控制系统设计及实现
• 3.1 腐蚀控制系统的整体设计
• 3.2 腐蚀控制系统的硬件实现
• 3.2.1 电源电路
• 3.2.2 电机驱动控制器
• 3.2.3 IO控制电路
• 3.2.4 串口通讯控制电路
• 3.3 腐蚀控制电路硬件编程
• 3.3.1 电机控制程序
• 3.3.2 串口通讯程序
• 3.4 腐蚀控制软件CausticControl设计
• 3.4.1 CausticControl整体设计
• 3.4.2 UI界面设计
• 3.4.3 控制参数初始化
• 3.4.4 腐蚀控制命令编辑
• 3.4.5 数据通讯
• 4 实验结果及分析
• 4.1 腐蚀工艺参数对光纤腐蚀的影响
• 4.2 锥形光纤Bragg光栅的制备
• 4.3 锥形光纤Bragg光栅的传感特性
• 4.3.1 锥形光纤Bragg光栅轴向应变传感特性
• 4.3.2 锥形光纤Bragg光栅温度传感特性
• 4.3.3 锥形光纤Bragg光栅温度应变分离测试
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢