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新型光纤风力计研究

作　者: 周艳
导　师: 董新永; 詹志杰
学　校:
专　业: 光学工程
关键词: 光纤传感器 光纤风力计 光纤光栅
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


与传统的传感器相比，光纤传感器具有很多独特的优点，如结构紧凑、灵敏度高、抗电磁干扰能力强及成本低等。因此，光纤传感器在各个领域得到了广泛的应用，主要包括军事领域、石油领域、电力工业领域、工程应用领域以及化学、生物化学和医用领域。本论文基于光纤传感技术、光纤光栅技术和光纤干涉技术，研究以下方面的内容：1、介绍了光纤传感器的概况和应用现状；讲述了光纤光栅的概况、分类和制作方法；阐述了光纤光栅的传感理论，并对其系统的结构进行了简介；总结了光纤传感器重要应用之一的光纤风力计的发展概况，为光纤风力计的研究提供了指导性作用。2、提出了一种基于多模光纤以及光纤Bragg光栅（FBG）的温度不敏感的弯曲传感器。在多模光纤（MMF）两端熔接单模光纤，构成SMS结构的多模干涉仪，并在干涉仪后端紧接一根FBG，用于耦合并反射MMF区域产生的包层模。当光纤是拉直的情况时，处于FBG包层模区域的输出光强为-20dB左右；当光纤发生弯曲时，相对应的包层模区域的输出光强减小。实验结果显示，传感器在0到15.5m-1曲率区间变化时，获得最大曲率灵敏度为0.74dB/m-1，且曲率响应与方向无关。温度从0oC变化至70oC所引起的输出光强变化仅为±0.1dB，说明了此曲率传感器具有温度不敏感特性。3、提出一种基于光子晶体光纤（PCF）干涉仪和FBG的曲率和温度同时测量的传感器。传感部分包含顺次连接的马赫曾德干涉仪（PCF-MZI）和FBG，其中，MZI是通过在两段单模光纤之间熔接一段PCF并使熔接处的PCF空气孔坍塌制作而成的；因为MZI对弯曲和温度都是敏感的，而FBG仅对温度敏感，所以此传感结构可以实现曲率和温度的同时测量。实验得出，曲率和温度的灵敏度分别为4.06nm/m-1和6.30pm/°C，当测量系统的波长分辨率为10pm时，与之相对应的曲率和温度分辨率分别为5.2×10-4m-1和1.25°C。4、提出一种基于光纤光栅的热线型光纤风力计。此风力计是将一段表面镀了银层的FBG与一根单模光纤错位熔接而成；泵浦激光经过错位熔接区时，部分激光进入光纤包层并加热银层，从而使FBG周边温度升高；当传感器置入气流环境中时，气流将带走银层部分热量，迫使FBG温度降低，通过Bragg波长的漂移即可以测得流速。实验结果得出，流速在06m/s时，此光纤热线式风力计的最高分辨率为0.022m/s。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目次  9-11
图清单  11-13
1 绪论  13-20
  1.1 研究背景  13
  1.2 光纤传感器的应用  13-16
  1.3 光纤风力计的发展概况  16-18
    1.3.1 传统风力计的局限性  16-17
    1.3.2 光纤风力计的基本概况  17-18
  1.4 本论文的主要研究内容和研究意义  18-20
    1.4.1 主要研究内容  18-19
    1.4.2 研究意义  19-20
2 光纤光栅的基本理论  20-30
  2.1 光纤光栅的概况  20-21
  2.2 光纤光栅分类  21-23
  2.3 光纤Bragg光栅的写入方法  23-26
  2.4 光纤Bragg光栅基本传感原理  26-28
  2.5 光纤光栅传感系统结构  28-29
  2.6 本章小结  29-30
3 基于多模光纤和FBG的弯曲传感器  30-42
  3.1 引言  30
  3.2 基于光纤干涉仪的传感器的简介  30-31
  3.3 基于光纤干涉仪的风力计的简介  31-33
  3.4 基于多模光纤和FBG的弯曲传感器的传感原理  33-34
  3.5 实验结果和分析  34-40
    3.5.1 模拟结果  34-35
    3.5.2 实验装置  35-37
    3.5.3 实验结果  37-40
  3.6 本章小结  40-42
4 基于光子晶体光纤和FBG的曲率和温度同时测量传感器  42-53
  4.1 引言  42
  4.2 光子晶体光纤导光原理和特性  42-45
  4.3 温度、曲率同时测量传感原理  45-48
  4.4 实验结果与分析  48-52
    4.4.1 实验装置  48
    4.4.2 实验结果分析  48-52
  4.5 本章小结  52-53
5 基于光纤光栅的热式风力计  53-65
  5.1 引言  53
  5.2 热线式光纤风力计的研究进展  53-55
  5.3 光纤风力计的制备  55-59
    5.3.1 光纤光栅制备  55-58
    5.3.2 镀膜  58-59
  5.4 实验研究和讨论  59-64
    5.4.1 实验装置  59-61
    5.4.2 实验结果和讨论  61-64
  5.5 本章小结  64-65
6 总结与展望  65-67
  6.1 总结  65-66
  6.2 展望  66-67
参考文献  67-72
作者简历  72-73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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