双折射光纤光栅传感特性的理论和实验研究

论文摘要

本论文以光纤水听器拖曳阵水深测量为课题背景,在国家自然科学基金项目的支持下,对双折射光纤光栅的传感特性进行了系统深入的理论和实验研究。论文研究了熊猫和边孔光纤的内部双折射分布,分析了几何结构对光纤双折射的影响规律,并采用波长扫描技术对光纤双折射进行了实验测量,测量结果与理论计算相吻合;采用耦合模理论分析了双折射光纤光栅中的偏振模式耦合现象,确定了双折射光纤光栅的谱线特征;提出了一种基于偏振检测的双折射光纤光栅谱线检测方案，解决了普通波长扫描方案不能对双折射光纤光栅进行有效谱线测量的问题;建立了双折射光纤光栅的温度和压力传感模型,分析了几何结构对传感特性的影响,并通过实验得到了验证;研究了轴对称封装和边孔封装技术对单模、熊猫和边孔光纤光栅温度和压力传感特性的影响,实验测量结果证实了边孔封装技术的高压力增敏特性;最后给出了在光纤光栅加速度计、光纤光栅水听器和水深测量等方面所取得的初步实验应用结果。本论文的主要研究结果和创新在于:1、对边孔光纤的双折射特性进行了系统研究,提出圆芯型边孔光纤以应力双折射为主,两边孔连线方向为其快轴方向,其双折射大小与边孔张角和边孔椭圆度成指数关系。2、设计和制作了边孔光纤及边孔光纤光栅,并对其双折射、温度特性、压力特性和纵向荷载特性进行了实验测量。实验测得未封装的边孔光纤光栅双峰间距的温度灵敏系数仅有-0.05pm/℃,约为普通单模光纤光栅温度灵敏度的1/200,并实现了0～3.5MPa范围内温度不敏感的压力测量。3、采用圆形边孔封装结构对单模、熊猫和边孔光纤光栅进行了封装实验研究,实现了高倍数的压力增敏效果,单模光纤光栅压力增敏约1750倍,熊猫光纤光栅单峰压力增敏约1702倍,边孔光纤光栅单峰压力增敏约2688倍,目前尚无基于该种封装结构对熊猫和边孔型双折射光纤光栅进行压力增敏的实验报道。4、采用边孔封装结构设计了一种新型结构的光纤光栅水听器，实验测得其在500Hz频率处的灵敏度为-153dB（0dB=1pm/uPa）,最小可测声压为61dB(0dB=1uPa/Hz1/2)。5、搭建了双折射光纤光栅两路波分复用的水深测量系统,实现了优于O.5m的水深测量精度,已基本满足光纤水听器阵列水深测量的精度要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤光栅传感技术的研究现状
• 1.1.1 光纤光栅传感技术概述
• 1.1.2 光纤光栅压力传感的关键问题
• 1.2 双折射光纤光栅的研究现状
• 1.2.1 双折射光纤光栅的研究意义
• 1.2.2 双折射光纤光栅的研究进展
• 1.3 课题来源及本论文的主要研究工作
• 第二章 双折射光纤的特性研究
• 2.1 光纤双折射的表征及评估方法
• 2.2 熊猫光纤的双折射特性分析
• 2.2.1 熊猫光纤双折射产生机理分析
• 2.2.2 熊猫光纤双折射的有限元分析
• 2.2.3 几何结构对熊猫光纤双折射的影响
• 2.3 边孔光纤的双折射特性分析
• 2.3.1 边孔型双折射光纤概述
• 2.3.2 边孔光纤双折射产生机理分析
• 2.3.3 边孔光纤双折射的有限元分析
• 2.3.4 几何结构对边孔光纤双折射的影响
• 2.4 光纤双折射的实验测量
• 2.4.1 波长扫描法测量双折射的基本原理
• 2.4.2 实验方案的有效性验证实验
• 2.4.3 熊猫光纤双折射及其温度特性的实验测量
• 2.4.4 边孔光纤双折射及其温度特性的实验测量
• 2.5 本章小结
• 第三章 双折射光纤光栅的谱线特征及波长检测
• 3.1 双折射光纤光栅的模式耦合理论
• 3.1.1 耦合模方程
• 3.1.2 相同偏振态之间的模式耦合
• 3.1.3 不同偏振态之间的模式耦合
• 3.1.4 双折射光纤光栅的谱线特征
• 3.2 基于偏振检测的双折射光纤光栅谱线测量方案
• 3.2.1 普通方案的存在问题分析
• 3.2.2 基于偏振检测的谱线测量方案
• 3.2.3 谱线测量方案的实验研究
• 3.3 双折射光纤光栅的制作与谱线测量
• 3.3.1 熊猫光纤光栅的制作与谱线测量
• 3.3.2 边孔光纤光栅的制作与谱线测量
• 3.4 本章小结
• 第四章 双折射光纤光栅的传感特性研究
• 4.1 单模光纤光栅的传感特性
• 4.1.1 单模光纤光栅的传感机理
• 4.1.2 单模光纤光栅传感特性的实验测量
• 4.2 熊猫光纤光栅的传感特性
• 4.2.1 熊猫光纤光栅的温度特性
• 4.2.2 熊猫光纤光栅的压力特性
• 4.2.3 熊猫光纤光栅传感特性的实验测量
• 4.3 边孔光纤光栅的传感特性
• 4.3.1 边孔光纤光栅的温度特性
• 4.3.2 边孔光纤光栅的压力特性
• 4.3.3 边孔光纤光栅传感特性的实验测量
• 4.4 本章小结
• 第五章 双折射光纤光栅的增敏封装技术
• 5.1 轴对称封装技术
• 5.1.1 单模光纤光栅的轴对称封装分析
• 5.1.2 熊猫光纤光栅的轴对称封装分析
• 5.1.3 边孔光纤光栅的轴对称封装分析
• 5.1.4 轴对称封装技术小结
• 5.2 边孔封装技术
• 5.2.1 边孔封装结构的提出
• 5.2.2 单模光纤光栅的边孔封装分析
• 5.2.3 熊猫光纤光栅的边孔封装分析
• 5.2.4 边孔光纤光栅的边孔封装分析
• 5.2.5 边孔封装技术小结
• 5.3 光纤光栅增敏封装技术的实验研究
• 5.3.1 光纤光栅聚合物封装的制作工艺
• 5.3.2 单模光纤光栅的轴对称和边孔封装实验
• 5.3.3 熊猫光纤光栅的轴对称和边孔封装实验
• 5.3.4 边孔光纤光栅的轴对称和边孔封装实验
• 5.3.5 封装过程中的啁啾现象分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 光纤光栅的应用实验研究
• 6.1 基于轴对称封装结构的光纤光栅加速度实验研究
• 6.1.1 光纤光栅加速度计的理论分析
• 6.1.2 光纤光栅加速度计信号解调方案
• 6.1.3 光纤光栅加速度计的实验测量
• 6.2 基于边孔封装结构的光纤光栅水听器实验研究
• 6.2.1 光纤光栅水听器的探头结构
• 6.2.2 光纤光栅水听器的实验测量
• 6.3 双折射光纤光栅水深测量实验
• 6.3.1 各种光纤光栅封装结构进行水深测量的对比论证
• 6.3.2 双折射光纤光栅两路波分复用水深测量实验
• 6.4 本章小结
• 第七章 主要结论及需进一步解决的问题
• 7.1 主要的结论及实验结果
• 7.2 存在的问题和解决途径
• 参考文献
• 附录: 边孔光纤几何双折射的计算
• 攻读博士期间发表的学术论文
• 致谢