阵列化光纤光栅传感器技术研究

论文题目: 阵列化光纤光栅传感器技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学

作者: 董兴法

导师: 董孝义,开桂云

关键词: 耦合模理论,布喇格光纤光栅,长周期光纤光栅,啁啾光栅,传感阵列,干涉仪,温度补偿,应变传感,电流传感,微振动传感,可调谐滤波器,波长解调,边缘滤波,分辨率,波分复用,空分复用,复用网络

文献来源: 南开大学

发表年度: 2005

论文摘要: 世界已经跨入信息时代,光子作为信息的又一种载体越来越显示了它的显著地位。光纤作为信息传输的通道正在得到广泛地应用,各种类型的光纤系统及光纤器件共同构筑了和改善着我们这个社会信息交流的平台,显示了不可替代的重要性。光纤光栅是纤芯折射率沿光纤轴线呈周期性变化的一种光纤结构,它标志着近年来继光纤以后的又一座里程碑。目前,以布喇格光纤光栅(FBG: fiber Bragg grating)为传感主体的传感器已成为研发主流。这种传感器适于在高温、腐蚀性或危险性环境中使用。在大型建筑和油井等特殊场合的安全监测方面具有极为广泛的应用前景。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。本论文主要以布喇格光纤光栅为研究对象,对其传感技术、解调技术以及网络技术进行了理论和实验的研究。主要内容有:1.概括介绍了光纤传感和光纤光栅传感技术的发展现状。分析了以光纤光栅作为基本传感器件的原理,说明了不同成栅方法的特点,概述了光纤光栅传感器的解调和复用技术。2.从耦合模理论出发,论述了具有不同折射率结构的光纤光栅所表现的传输谱及其应用范围。以均匀Bragg光纤光栅、长周期光纤光栅为典型,简要推导了传输谱的中心波长、反射率、3dB带宽等参数的数学表述,说明了它们与折射率调制因素的关系。从一般光纤传感器到当今广泛研究的FBG传感器,研究了它们的组网原理,讨论了限制传感器网络中点数设置的关键问题。3.从光纤光栅传感技术的关键点入手,系统阐述了单点解调方法、组网方法及复用系统的解调方法。这些包括马赫-泽德、迈克尔逊等干涉型解调方案以及法布里-珀罗可调谐滤波器、边沿滤波、匹配光纤光栅滤波等滤波型解调方案。分析了在光纤光栅传感系统阵列化应用时的关键复用技术,如波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)等技术的组合解调方法。同时,还对传感系统中光电检测的关键技术以及光源技术进行了探讨。4.从光纤光栅交叉敏感物理模型出发,引入光纤光栅的交叉关联分析方法,指导高性能传感器的设计。首次提出并设计了用于结构损伤诊断的实用型光纤光栅传感器,并获得专利授权;研究了应用F-P半导体激光器和FBG振动传感的方法;首次提出了一种新颖的光纤光栅温度补偿型应变检测方法和振动传感方法;

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 光纤传感技术概述

1.2 光纤传感中的关键技术

1.2.1 光纤传感的复用技术

1.2.2 解调技术

1.3 光纤光栅传感技术

1.3.1 光纤光栅波长调谐原理

1.3.2 光纤光栅分类

1.3.3 光纤光栅传感应用

1.3.4 光纤光栅阵列化方法

1.4 光纤光栅传感技术发展概况

1.4.1 光纤光栅写入技术进展

1.4.2 光纤光栅传感应用研究进展

1.5 本论文研究的主要内容与创新点

1.5.1 研究的主要内容

1.5.2 本论文的主要创新点

第二章 光纤光栅传感网络理论研究

2.1 光纤光栅耦合模理论

2.1.1 光纤光栅的理论描述

2.1.2 耦合模理论

2.2 光纤光栅形式与传输谱分析

2.2.1 均匀光纤光栅

2.2.2 啁啾光纤光栅

2.2.3 Tapered 光纤光栅

2.2.4 Morié光纤光栅

2.2.5 Blazed 光纤光栅

2.2.6 传输谱分析

2.3 光纤传感器网络的一般形式和原理

2.3.1 波分复用

2.3.2 时分复用

2.4 光纤光栅传感器网络分析

2.5 本章小结

第三章 光纤光栅传感中的关键技术

3.1 光纤光栅的组网复用与传感解调技术

3.1.1 光纤光栅的组网复用技术

3.1.2 光纤光栅传感解调技术

3.1.3 光纤光栅传感网络解调技术

3.2 主动解调方法与光源技术

3.2.1 光源技术

3.2.2 主动解调技术

3.3 传感信号解调电子技术

3.3.1 光电转换与放大

3.3.2 检测灵敏度分析

3.3.3 调制信号与检测控制的同步技术

3.4 光纤光栅传感器的温度补偿技术

3.5 本章小结

第四章 温度补偿型光纤光栅传感器的设计与实现

4.1 光纤光栅交叉敏感的关联分析

4.2 结构损伤诊断的实用型光纤光栅传感器研究

4.2.1 建筑结构传感器特性分析

4.2.2 设计原理与方法

4.2.3 应用结果

4.3 光纤光栅振动传感方法研究

4.3.1 光纤光栅的封装

4.3.2 波长匹配设计

4.3.3 实验设计与结果讨论

4.4 光纤光栅型振动传感中温度补偿的实现

4.4.1 光纤光栅振动传感中温度效应

4.4.2 温度补偿式振动传感原理

4.4.3 温度补偿式应力传感实验设计与结果讨论

4.4.4 温度不敏感型光纤光栅振动传感器设计

4.4.5 高灵敏度光纤光栅振动传感器设计

4.5 本章小结

第五章 光纤光栅调谐技术研究

5.1 概述

5.2 裸光纤光栅线性调谐的实现

5.2.1 封装工艺

5.2.2 封装技术的示意图

5.2.3 具体实施方式

5.3 双反射峰光纤光栅调谐研究

5.3.1 设计原理

5.3.2 实验结果及讨论

5.4 光纤光栅的非线性调谐及其应用

5.4.1 多层压电陶瓷法

5.4.2 非均匀磁场法

5.4.3 基于曲梁结构的光纤光栅带宽调谐技术

5.4.4 光纤光栅带宽调谐的应用

5.5 本章小结

第六章 Ustsee-1 型光纤光栅传感测试系统设计与实现

6.1 系统组成

6.1.1 宽带光源调制

6.1.2 查询系统分析1（滤波器波长调谐）

6.1.3 查询系统分析2（时间域）

6.1.4 检测灵敏度分析

6.1.5 同步采集分析

6.2 系统指标

6.2.1 系统波长扫描范围

6.2.2 系统波长分辨率

6.2.3 系统扫描时间

6.3 系统硬件与软件

6.4 系统测试

6.5 本章小结

总结与展望

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间的专利

参考文献

致谢

发布时间: 2006-12-28

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].光纤光栅传感器解调技术及封装工艺的研究[D]. 曹晔.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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