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光纤光栅传感器的研究

作　者: 李科
导　师: 杨型健；魏计林
学　校: 太原科技大学
专　业: 工程力学
关键词: 光纤光栅传感器温度测量信号解调
分类号: TP212.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 595次
引　用: 7次
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内容摘要

光纤光栅的出现已经有30年的时间,它是利用光纤的光敏性,通过紫外光照射导致纤芯折射率发生变化而制成的一种光纤无源器件。光纤光栅相当于一个窄带的滤波器或反射镜。当外界环境改变时,由于热光效应、弹光效应、法拉第效应等的作用导致Bragg中心波长发生漂移,测量此波长的漂移量就可检测外界温度、应力、磁场等的变化,还可间接测量加速度、振动、浓度、液位、电流、电压等物理量。利用这一特性可制成用以检测多种参量的光纤传感器和光纤传感网。随着光纤光栅写入技术和传感器封装技术的不断完善,一些光纤光栅传感器已开始规模化生产。除了由光纤的本征属性所带来的优点,如质轻、径细、柔韧、化学稳定、耐高温、抗电磁干扰等,光纤光栅传感器还具有很多独特的优势,如传感器尺寸小,易于埋入结构中,复用性好,易于组成网络,能够实现准分布式测量,灵敏度高,响应速度快,传输距离远,测量信息是波长编码的绝对测量,不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响,有较强的抗干扰能力。这些使得光纤光栅传感器成为理想的传感器,并在航空航天航海等军事领域,大型土木工程、电力、医疗等民用领域得到了广泛的应用。日益增多的应用成果表明,光纤光栅已成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。本论文以研究光纤光栅的原理及其传感应用为目的,概述了光纤光栅传感技术的发展史及其研究和应用现状;介绍了光纤光敏性及光纤光栅写入法,研究了光纤光栅的模式理论;介绍了现有的光纤光栅的封装与增敏技术,并在此基础上提出了一种新的温度增敏封装结构;对光纤Bragg光栅传感技术进行了理论研究和实验分析,从理论和实验上证明了光纤Bragg光栅有良好的温度传感特性;介绍了几种常用的光纤光栅传感解调方案,在此基础上提出了一种高性价比的解调方案,并进行了传感原件的选型和电路设计。通过理论研究和实验分析可以看出,与传统的机电式传感器相比,光纤光栅传感器具有许多独特的优势。目前,光纤光栅的封装与增敏技术和传感信号的解调技术是研究的重点,设计高性能、长寿命的光纤光栅传感原件和高灵敏度、多通道的信号解调装置具有重大的意义。结合实际应用,进一步加快理论研究和实验室开发是使光纤光栅传感器从实验室走向工程应用的主要工作。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-15
  1.1 研究的背景及意义  9-11
  1.2 光纤光栅传感技术的概述  11-14
    1.2.1 光纤光栅传感发展史  11-12
    1.2.2 光纤光栅传感技术研究及应用现状  12-13
    1.2.3 实用化急需解决的问题  13-14
  1.3 本论文的主要研究内容  14-15
第二章光纤光栅介绍  15-31
  2.1 光纤的光敏性  15-18
    2.1.1 光纤材料的光敏性  15
    2.1.2 光纤材料的增敏技术  15-18
  2.2 光纤光栅的写入法  18-22
    2.2.1 内写入法  18-19
    2.2.2 外写入法  19-22
  2.3 光纤光栅的模式理论  22-31
    2.3.1 光纤Bragg 光栅的理论模型  22-23
    2.3.2 单模光纤的耦合方程  23-25
    2.3.3 光纤光栅的特性分析  25-31
第三章光纤光栅的封装与增敏  31-39
  3.1 光纤光栅的增敏原理  31-32
    3.1.1 温度减敏和补偿  31-32
    3.1.2 温度增敏  32
    3.1.3 应力增敏  32
  3.2 光纤光栅应变传感器的封装  32-35
    3.2.1 贴片式封装  32-33
    3.2.2 管柱式封装  33-34
    3.2.3 工字型钢柱封装  34-35
  3.3 光纤光栅温度传感器的封装  35-38
    3.3.1 金属基片式封装  35-36
    3.3.2 毛细钢管式封装  36
    3.3.3 铝槽式封装  36-37
    3.3.4 耐高温温度传感器的封装  37-38
  3.4 本设计采用的温度增敏封装结构  38-39
第四章光纤光栅传感理论研究及实验分析  39-44
  4.1 光纤光栅传感原理  39-40
  4.2 光纤光栅的传感特性  40-41
    4.2.1 温度传感特性  40
    4.2.2 应变传感特性  40-41
    4.2.3 温度和应变的交叉敏感特性  41
  4.3 光纤光栅温度传感的实验分析  41-44
    4.3.1 实验装置  41-42
    4.3.2 实验数据及处理  42-43
    4.3.3 实验结论  43-44
第五章光纤光栅传感解调技术  44-62
  5.1 常用解调方案  44-53
    5.1.1 滤波法  45-49
    5.1.2 干涉法  49-51
    5.1.3 可调谐光源法  51-53
  5.2 本设计采用的解调方案  53-62
    5.2.1 解调原理  53-54
    5.2.2 系统设计  54-57
    5.2.3 经验总结  57-62
第六章总结  62-64
参考文献  64-68
研究生在读期间发表论文  68-69
致谢  69-70
个人简况及联系方式  70-71

光纤光栅传感器的研究

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