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采用边孔光纤及边孔增敏结构的光纤光栅压力传感特性理论及应用研究

作　者: 孙崇峰
导　师: 胡永明
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤光学光纤光栅压力增敏边孔结构封装静水压力测量
分类号: TN25
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

压力温度交叉敏感问题长期困扰光纤光栅静水压力测量的实用化。单模光纤光栅的压力灵敏度仅为13pm/MPa,而温度灵敏度高达10pm/℃,单模光纤光栅的压力温度交叉问题很严重,不宜用于压力的测量;边孔光纤的压力灵敏度为6pm/MPa,温度灵敏度为0.05pm/℃,边孔光纤光栅的温度效应受到了抑制,但压力灵敏度不够高,无法满足中低静水压力测量的需要。论文采用解析分析与数值模拟相结合的研究方法,对多种光纤尤其是边孔光纤的敏感特性进行了深入的分析和研究,提出了采用边孔封装结构实现光纤光栅压力增敏及温度降敏的技术,并对单模光纤、熊猫光纤、边孔光纤在边孔封装结构下的压力温度特性进行了分析和对比,理论分析表明,边孔结构封装的单模光纤光栅反射谱双峰间距的压力灵敏度比边孔光纤的压力灵敏度提高二个数量级,温度敏感系数降低一个数量级。设计了光纤光栅检测系统,实现了双折射光纤光栅反射谱双峰的分离,并采用数值插值方法,提高了偏振双峰间距的测量精度,实现了双折射光纤光栅双峰间距的高精度测量。实际制作了边孔结构封装单模光纤光栅压力探头,并对其反射谱进行了测量,实验得到探头的水深压力灵敏度为145pm/mH₂O,温度灵敏度小于0.008pm/℃。成功地实现了中、低静水压力的测量。

全文目录

摘要  7-8
ABSTRACT  8-9
第一章绪论  9-17
  §1.1 光纤光栅传感技术  9-13
  §1.2 边孔光纤和边孔光纤光栅技术的研究现状  13-14
    §1.2.1 边孔光纤的研究进展  13-14
    §1.2.2 边孔光纤光栅的研究进展  14
  §1.3 本论文的主要工作  14-17
第二章双折射光纤光栅的力学传感原理  17-41
  §2.1 双折射光纤光栅光谱  17-22
    §2.1.1 光纤双折射的分析与计算  18-19
    §2.1.2 双折射光纤光栅光谱  19-22
  §2.2 光纤双折射的压力温度传感机理  22-25
    §2.2.1 光纤双折射的压力传感机理  22-24
    §2.2.2 光纤双折射的温度传感机理  24-25
  §2.3 单模光纤光栅的传感特性  25-29
    §2.3.1 单模光纤光栅的压力敏感特性  25-26
    §2.3.2 单模光纤光栅的温度敏感特性  26-29
  §2.4 熊猫光纤双折射的传感特性分析  29-33
    §2.4.1 熊猫光纤双折射的温度敏感特性  29-32
    §2.4.2 熊猫光纤双折射的压力敏感特性  32-33
  §2.5 边孔光纤双折射的温度敏感特性  33-40
    §2.5.1 圆芯边孔光纤双折射的热应力的解析分析  33-37
    §2.5.2 圆芯边孔光纤双折射的热应力分析  37-40
  §2.6 光纤双折射传感特性讨论  40-41
第三章边孔光纤压力传感器分析及结构设计  41-59
  §3.1 边孔光纤的几何结构对传感特性的影响  41-49
    §3.1.1 边孔光纤纤芯尺度对传感特性的影响  41-43
    §3.1.2 边孔光纤边孔尺度对传感特性的影响  43-46
    §3.1.3 边孔光纤的边孔/纤心间距对传感特性的影响  46-49
  §3.2 边孔光纤材料物理参数对传感特性的影响  49
  §3.3 边孔光纤参数设计及相关物理参数的确定  49-50
  §3.4 实验用边孔光纤的传感特性分析  50-52
    §3.4.1 K型边孔光纤的压力敏感特性  50-52
    §3.4.2 K型边孔光纤的温度敏感特性  52
  §3.5 边孔光纤双折射的测量  52-57
    §3.5.1 边孔光纤双折射测量原理  52-55
    §3.5.2 边孔光纤双折射测量方案  55
    §3.5.3 边孔光纤双折射测量方法  55-56
    §3.5.4 边孔光纤双折射测量结果  56-57
  §3.6 边孔光纤双折射敏感特性讨论  57-59
第四章边孔光纤光栅的压力温度敏感特性实验  59-66
  §4.1 边孔光纤光栅偏振双反射谱的分辨技术  59-60
    §4.1.1 光纤双折射光栅光谱的强度测量方法  59-60
    §4.1.2 光纤双折射光栅光谱的保偏系统测量方法  60
  §4.2 边孔光纤光栅实验装置  60-62
  §4.3 边孔光纤光栅反射谱实验测量结果  62-65
    §4.3.1 边孔光纤光栅双峰间距的压力敏感特性实验  62-63
    §4.3.2 边孔光纤光栅双峰间距的温度敏感特性实验  63-65
  §4.4 实验结论  65-66
第五章光纤光栅边孔封装压力增敏特性研究  66-94
  §5.1 光纤封装结构对光纤传感特性的影响  66-74
    §5.1.1 对称封装中单模光纤的热应力分析  66-73
    §5.1.2 光纤封装结构分析  73-74
  §5.2 边孔封装中单模光纤双折射的敏感特性  74-78
    §5.2.1 边孔封装中单模光纤双折射的压力敏感特性  74-76
    §5.2.2 边孔封装中单模光纤双折射的温度敏感特性  76-78
  §5.3 边孔封装中熊猫光纤双折射的敏感特性  78-84
    §5.3.1 平行封装时熊猫光纤双折射的压力敏感特性  78-81
    §5.3.2 平行封装时熊猫光纤双折射的温度敏感特性  81-82
    §5.3.3 垂直封装时熊猫光纤双折射的敏感特性  82-84
  §5.4 边孔封装中边孔光纤双折射的敏感特性  84-89
    §5.4.1 平行封装时边孔光纤双折射的压力敏感特性  85-86
    §5.4.2 平行封装时边孔光纤双折射的温度敏感特性  86-87
    §5.4.3 平行封装时边孔光纤的结构对温度敏感特性的影响  87-88
    §5.4.4 垂直封装时边孔光纤双折射的敏感特性  88-89
  §5.5 边孔增敏封装中光纤双折射敏感特性结论  89-90
  §5.6 单模光纤光栅聚氨酯边孔封装压力传感器结构设计  90-94
    §5.6.1 单模光纤光栅聚氨酯边孔封装压力传感器结构设计方案  90
    §5.6.2 单模光纤光栅聚氨酯边孔封装压力传感器制作  90-94
第六章单模光纤光栅边孔增敏封装的敏感特性实验  94-101
  §6.1 单模光纤光栅聚氨酯边孔增敏封装的压力实验  94-96
  §6.2 单模光纤光栅聚氨酯边孔增敏封装的温度实验  96-98
  §6.3 单模光纤光栅聚氨酯边孔增敏封装光谱实验装置  98-100
  §6.4 实验结论  100-101
第七章结论以及需要进一步解决的问题  101-103
  §7.1 主要结论和实验结果  101-102
  §7.2 存在的问题和解决的途径  102-103
致谢  103-104
参考文献  104-109
在读期间发表论文  109

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