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光纤光栅压力传感技术

作 者: 蔡安
导 师: 印新达
学 校: 武汉邮电科学研究院
专 业: 通信与信息系统
关键词: 光纤布拉格光栅(FBG) 压力传感 弹性膜片 温度补偿
分类号: TP212
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


光纤光栅是近年来发展最迅速的无源光器件之一,因其具有电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高、尺寸小巧、重量轻等特点,被广泛应用于传感领域,对应力、温度、压力等外界量进行精确的测量,并成为光纤传感领域的一个研究热点。本文首先简要地阐述光纤光栅传感技术的背景以及光纤光栅传感技术的特点,总结国内外压力传感技术研究进展;利用耦合模理论分析了光在光纤布拉格光栅中的传播规律,推导出光栅布拉格方程;系统介绍了光纤光栅制作方法的相关理论。分析了光纤光栅的温度、应变以及压力传感机理,推导出光纤光栅的应变灵敏度、温度灵敏度以及压力灵敏度。其次,研究了光纤光栅传感中的两个关键问题,即解决交叉敏感问题和提高灵敏度。分析了光纤光栅交叉敏感问题,详细讨论了实现国内外光纤光栅同时测量温度和应变的多种方案,提出一种被动温度补偿结构减小温度的影响;通过基于弹性力学原理的理论推导,得到周边固支圆形平面弹性膜片的压力传感原理经典公式,在此基础上分析了光纤光栅与周边固支圆形平面弹性膜片连接受力情况,推导出本方案的压力响应灵敏度。最后,对光纤光栅压力传感器样品进行了温度和应变传感性能测试。实验结果表明,本课题中温度去敏设计可以解决温度压力交叉敏感问题,实现对压力的精确测量,并使传感器具有良好的分辨率、线性度、准确度。同时,结果表明通过调整膜片的参数,如几何尺寸,可以使该结构压力传感器满足不同的测量范围和响应度。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 绪论  8-12
  1.1 光纤传感技术  8
  1.2 光纤光栅传感技术的特点  8-9
  1.3 光纤光栅压力传感器的研究现状  9-11
  1.4 本文的研究工作和内容  11-12
第2章 光纤光栅的基本理论  12-30
  2.1 光纤光栅的分类  12-13
  2.2 光纤光栅的耦合模理论  13-16
    2.2.1 光纤光栅的基本结构  13-14
    2.2.2 光纤光栅的耦合模理论  14-16
  2.3 光纤光栅的制备  16-22
    2.3.1 光纤的光敏性及增敏方法  16-19
    2.3.3 光纤光栅的写入方法  19-22
  2.4 光纤光栅的传感机理  22-26
    2.4.1 光纤光栅的温度传感模型  22-23
    2.4.2 光纤光栅的应变传感模型  23-26
    2.4.3 光纤光栅的压力传感模型  26
  2.5 光纤光栅的温度和应变交叉敏感的研究  26-30
    2.5.1 光纤光栅的温度和应变交叉敏感问题  26-27
    2.5.2 交叉敏感的解决方法  27-30
第3章 光纤光栅压力传感器的设计方案  30-44
  3.1 弹性膜片的设计  30-39
    3.1.1 平面弹性膜片概述  30-31
    3.1.2 平面弹性膜片特性分析  31-33
    3.1.3 光纤光栅与平面膜片连接的受力分析  33-38
    3.1.4 膜片结构参数的确定  38-39
  3.2 温度补偿结构的设计  39-42
    3.2.1 温度补偿结构原理分析  39-41
    3.2.2 温度补偿结构参数的确定  41-42
  3.3 光纤光栅压力传感的结构设计  42-44
第4章 光纤光栅压力传感器实验研究  44-53
  4.1 温度传感性能实验  44-47
  4.2 压力传感性能实验  47-53
第5章 总结与展望  53-54
参考文献  54-56
致谢  56-58
附录1 攻读硕士学位期间发表的论文  58-59
附录2 主要英文缩写语对照表  59

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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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