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基于锥形FBG的温度不敏感的压力传感器研究

作　者: 戚琳
导　师: 杜国同
学　校: 大连理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 锥形光纤Bragg光栅交叉敏感功率检测薄壁应变筒压力传感器
分类号: TP212.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 56次
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内容摘要

光纤Bragg光栅(FBG)是一种将周期性微扰作用于光纤纤芯使其折射率发生周期性调制而形成的光纤无源器件。由于它具有灵敏度高、可靠性高、动态范围宽,抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘、插入损耗低、体积小、可埋入智能结构等诸多优点,因此在传感领域得到了广泛的应用。但是,FBG传感器在实际应用中存在着温度.应力的交叉敏感问题,即温度和应力的变化都会引起FBG中心反射波长的变化,通过检测单个FBG无法对温度和应力引起的中心波长漂移加以区分,这就极大地限制了它的应用。本文提出了一种基于锥形光纤Bragg光栅(锥形FBG)的温度不敏感的压力传感器。锥形FBG的结构特点是其光栅段的包层为锥形,当光栅两端受到拉力时,会因光纤横截面积的线性变化而产生一个应力梯度,使得光栅的周期产生线性啁啾,从而令它的反射带宽展宽,而展宽的大小只与受力有关,与温度本质无关。因此,通过检测带宽来监测应力变化就可以很好的解决温度.应力的交叉敏感问题。实验中,用不同功率的激光器制各了不同反射率和光栅长度的FBG,然后采用氢氟酸溶液腐蚀的方法将它们制成锥形FBG。研究了不同浓度的氢氟酸溶液对光纤的腐蚀速率,并用浓度为40%的氢氟酸溶液制备了不同锥度的锥形FBG。研究了锥度对锥形FBG反射带宽展宽的影响,并得出了理想的锥形FBG锥度值。对用高反射率和低反射率光栅制成的锥形FBG在受力和变温时的带宽展宽和反射功率特性进行了理论和实践性的探讨,证明用反射率＞99%的强光栅制作的锥形FBG其反射功率随应力增加而线性增加且与温度无关,这样就可以通过检测锥形FBG的反射功率来检测其所受应力,进一步降低了解调系统的复杂度。基于这一原理,将高反射率锥形FBG应用于一种薄壁应变筒型压力传感头上,制成了一种温度不敏感的压力传感器。对该传感器进行了压力和温度测试。实验结果表明,所制备的高反射率锥形FBG应力灵敏度可达48.67μW/N,用其制作的压力传感器其压力测量范围为0～40MPa,灵敏度为0.056μW/MPa,是一种简单实用的压力传感装置。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-20
  1.1 光纤技术发展概述  8-9
  1.2 光纤光栅的发展与分类  9-11
    1.2.1 光纤光栅的发展  9-10
    1.2.2 光纤光栅的分类  10-11
  1.3 光纤Bragg光栅的制作技术  11-14
  1.4 光纤Bragg光栅在传感领域中的应用  14-18
    1.4.1 光纤Bragg光栅在传感领域中的应用概况  14-15
    1.4.2 光纤Bragg光栅在传感应用中的交叉敏感问题  15-18
  1.5 光纤Bragg光栅压力传感研究进展  18-19
  1.6 本文的主要工作  19-20
2 光纤Bragg光栅的基本原理  20-31
  2.1 光纤Bragg光栅理论  20-26
    2.1.1 光纤Bragg光栅的基本结构  20-22
    2.1.2 光纤Bragg光栅的耦合模理论  22-26
  2.2 光纤Bragg光栅的传感原理  26-31
    2.2.1 光纤Bragg光栅的温度传感模型  26-28
    2.2.2 光纤Bragg光栅的应变传感模型  28-31
3 锥形光纤Bragg光栅的原理及制作  31-42
  3.1 锥形光纤Bragg光栅的原理  31-36
    3.1.1 锥形光纤Bragg光栅的产生和发展  31-34
    3.1.2 锥形光纤Bragg光栅的理论分析  34-36
  3.2 锥形光纤Bragg光栅的制作  36-42
    3.2.1 光纤Bragg光栅的制作  36-38
    3.2.2 锥形光纤Bragg光栅的制作  38-42
4 锥形光纤Bragg光栅的特性及其应用  42-59
  4.1 锥形光纤Bragg光栅的反射带宽特性  42-47
    4.1.1 锥形光纤Bragg光栅反射带宽的应力特性  42-45
    4.1.2 锥形光纤Bragg光栅反射带宽的温度特性  45-47
  4.2 锥形光纤Bragg光栅的反射功率特性  47-53
    4.2.1 锥形光纤Bragg光栅反射功率的应力特性  47-51
    4.2.2 锥形光纤Bragg光栅反射功率的温度特性  51-53
  4.3 基于锥形光纤Bragg光栅和薄壁应变筒的压力传感器  53-59
    4.3.1 薄壁应变筒式传感结构  53-55
    4.3.2 基于锥形光纤Bragg光栅和薄壁应变筒的压力传感器  55-59
结论  59-61
参考文献  61-64
附录A 反射率的分贝表示与百分比表示对照表  64-65
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  65-66
致谢  66-67

基于锥形FBG的温度不敏感的压力传感器研究

内容摘要

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