FBG的制作及其压力传感研究

论文摘要

光纤Bragg光栅（FBG）是沿光纤轴向在光纤内形成周期性折射率调制分布的一种新型光纤无源器件,由于其在光纤通信和传感领域有广泛的应用前景,因此受到高度重视。其中,FBG因具有高灵敏度、体积小、抗电磁干扰、波长编码、易于阵列等优点,已成为目前最具有发展前途的光纤传感器件之一。利用FBG传感器实现恶劣条件下的高温高压参数的测量是目前光纤传感领域的研究热点。本文在阐述FBG的模式理论和传感原理的基础上,根据实验室现有条件,对普通单模石英光纤进行了掺氢处理,利用相位掩模法制作了FBG。通过实验研究了激光脉冲能量、脉冲频率、曝光时间和退火对FBG写入的影响,得到了利用相位掩模和紫外写入技术制备FBG的最佳工艺条件,并对所制作的FBG进行了温度和应变特性分析。利用弹性应变筒原理,设计了用于高温高压测量的、投入式的、双层金属筒式结构的FBG压力传感头。并使用有限元分析软件ANSYS,对使用四种不同材料(高弹性不锈钢1Cr18Ni9、低碳钢Q235、铜、铝)、不同结构尺寸（壁厚分别为1.0mm和1.5mm）制作的薄壁筒在均匀分布压力下的受力和形变进行了仿真分析,验证了结构设计的合理性。通过计算得出,采用不锈钢1Cr18Ni9材料制备的应变筒所能承受的最大压力理论上达到63Mpa。利用参考光栅法有效解决了交叉敏感问题。实验测得传感器的压力测量范围为0～42Mpa,温度20℃～230℃,压力灵敏度、线性度和重复性良好,达到了项目的设计要求。为了解决FBG与传感结构的有效结合,实现高温下压力参数的稳定测量,本文采用了金属化封装的光栅进行测试研究,得到了理想的测量结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤光栅的发展与分类
• 1.2.1 光纤Bragg光栅的发展
• 1.2.2 光纤光栅的分类
• 1.3 光纤Bragg光栅的制作技术
• 1.4 光纤Bragg光栅压力传感器的研究现状
• 1.5 本文的主要工作
• 2 光纤Bragg光栅的基本原理
• 2.1 光纤的基本理论
• 2.1.1 光纤结构
• 2.1.2 光纤传输光的基本原理
• 2.2 光纤Bragg光栅的耦合模理论
• 2.2.1 光纤Bragg光栅的基本结构
• 2.2.2 光纤光栅的耦合模理论
• 2.2.3 光纤光栅耦合模方程
• 3 光纤Bragg光栅的制作及其应力温度特性
• 3.1 光纤Bragg光栅的制作
• 3.1.1 光纤载氢
• 3.1.2 光纤Bragg光栅的写入
• 3.1.3 影响光纤Bragg光栅制作的因素
• 3.1.4 光纤Bragg光栅的切趾
• 3.1.5 退火处理
• 3.2 光纤Bragg光栅的温度和应力特性
• 3.2.1 光纤Bragg光栅的温度传感模型
• 3.2.2 光纤Bragg光栅的应变传感模型
• 3.2.3 光纤Bragg光栅的温度特性
• 3.2.4 光纤Bragg光栅的应变特性
• 3.2.5 交叉敏感问题
• 4 基于光纤Bragg光栅的投入式压力传感器
• 4.1 压力传感器结构的设计、分析及仿真
• 4.1.1 结构的设计及理论分析
• 4.1.2 结构模拟仿真
• 4.2 交叉敏感问题的解决
• 4.3 光纤Bragg光栅的压力传感器系统
• 4.3.1 测试系统构成
• 4.3.2 实验装置
• 4.4 实验结果及分析
• 4.4.1 结构基材对压力和温度测量的影响
• 4.4.2 薄壁内筒的内径和壁厚之比对压力测量的影响
• 4.4.3 温度补偿
• 4.4.4 金属化光纤光栅的使用
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢