基于多芯结构的光纤传感器研究

论文摘要

对与许多结构物，由于在载荷的作用下会发生弯曲和扭转，有时还伴随着温度热膨胀带来的影响。“智能结构”可主动矫正或补偿这些弯曲或扭转，因而常常需要测量或监测这些连续结构的弯曲形变和扭转。在连续结构物中，结构梁的变化通常是由于弯曲和扭转而产生的，这样就需要对弯曲和扭转进行优化组合测量。常规的做法是借助于梁的上下两个应变片就可以测量弯曲，这是电子学采用的测量方法。这些传感器既可以表面粘贴，也可以埋入结构内部。一方面，这种结构物需要进行弯曲形变、扭转和温度梯度等多参数测量。另一方面，一段四芯光纤的远场干涉图会对弯曲形变、扭转和温度梯度这些参量变化给出响应。本工作的目的就是建立起二者的联系。四芯光纤作为四光束单根光纤干涉仪可以自动补偿由于温度热膨胀所带来的影响，仅对绝对弯曲、扭转和温度梯度敏感。从而导致远端干涉光场格子图的移动或旋转。本文在国外多芯光纤领域的研究成果的基础上，深入研究了多芯光纤的结构和特性，以及在传感器领域的应用，提出了用多芯光纤构造多种传感系统的设想。自行设计并研制了三种基于新型多芯光纤的传感器，通过大量实验测量，获得了这三种传感单元的技术参数。从多芯光纤的出射光场干涉图入手，建立了理论模型，分析了每个传感单元的特性，从实验上验证了理论模型的正确性。本文的主要工作包括：设计并实现了几种新型多芯光纤，对其几何结构参数进行了测量；开展了多芯光纤远场干涉特性的研究；进行了多芯光纤温度梯度传感器的理论与实验研究；建立了多芯光纤弯曲与应变传感器的理论模型并给出了实验结果。讨论了多芯光纤扭转传感器的可能方案，进行一系列实验测量与分析。研究结果表明，多芯光纤温度梯度传感系统能够完成对温度变化的监测；弯曲与应变传感系统能完成对物体受压力等外力作用下的形变程度的测量；在90度测量范围内，扭转传感系统在完成对旋转角度大小测量的同时，还具有辨别旋转方向的功能。通过二芯光纤和四芯光纤的实验我们发现，二芯光纤的出射光场干涉图案是条纹，对于扭转传感测量更加方便，四芯光纤的出射光场干涉图是有规律排列的正方形网格，方便于弯曲与应变传感系统的测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的目的与意义
• 1.1.1 光纤传感器概况
• 1.1.2 多芯光纤概况
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 光纤传感器的国内外研究状况
• 1.2.2 多芯光纤国内外现状
• 1.3 本课题的主要研究方案与研究内容
• 第2章 多芯光纤的设计制作与特性参数
• 2.1 光纤制造工艺简介
• 2.2 多芯光纤的结构设计
• 2.3 多芯光纤的拉制工艺
• 2.4 基于CCD的几何参数测量
• 2.4.1 光纤的几何参数及其测量
• 2.4.2 基于CCD的几何参数测量实验
• 2.5 本章小结
• 第3章 多芯光纤远场干涉特性
• 3.1 多芯光纤的传输模式特性分析
• 3.2 多芯光纤远场干涉特性
• 3.2.1 光纤莫尔干涉
• 3.2.2 多芯光纤远场干涉模型
• 3.2.3 四芯光纤远场干涉光场偏振问题的理论分析与实验结果
• 3.3 本章小结
• 第4章 多芯光纤温度梯度传感器
• 4.1 概述
• 4.2 温度梯度传感器的理论模型
• 4.3 实验系统装置
• 4.4 传感特性参数测量
• 4.4.1 实验数据记录方法和实验操作过程
• 4.4.2 实验操作及数据处理部分
• 4.4.3 实验结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 多芯光纤弯曲与应变传感器
• 5.1 概述
• 5.2 弯曲与应变传感器的理论模型
• 5.3 实验装置与传感特性参数比较
• 5.4 实验结果记录与分析
• 5.4.1 实验数据记录方法和实验操作过程
• 5.4.2 实验操作及数据处理部分
• 5.4.3 二芯光纤实验结果
• 5.4.4 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 多芯光纤扭转传感器
• 6.1 概述
• 6.2 光纤扭转传感器的理论模型
• 6.3 实验系统装置
• 6.4 传输特性参数测量
• 6.4.1 实验第一部分
• 6.4.2 实验第二部分
• 6.4.3 实验第三部分
• 6.4.4 二芯光纤实验结果
• 6.4.5 实验结果讨论
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢