基于光纤布里渊动态光栅的温度测量方法研究

发布时间：2020-03-27 10:44

【摘要】：布里渊动态光栅(BDG)传感技术自提出以来受到了国内外专家学者的广泛关注,通过大量实验研究发现,它在多参量同时传感、高精度与高空间分辨率测量等方面较以往光纤传感技术具有很大的提高。除此之外,它还具有很多传感特性,这对光纤传感发展具有重大意义。本文首先阐述了BDG的产生机理,并从理论上导出了双折射频移与温度、应变的关系,为后续章节奠定了理论基础。然后,基于光纤光栅中心波长的温度和应变传感原理研究了保偏光纤在x、y轴上波长的温度和应变敏感系数,得到了保偏光纤x、y轴上波长与温度和应变的关系式。进一步研究了两轴波长差与温度、应变的关系。结果表明,波长差与温度、应变具有很好的线性关系。当温度每升高10℃和应变每增加10με,波长差分别减小0.0045 nm和增大0.0001 nm。对光纤拍长与温度、应变的特性关系进行了理论推导和数值模拟。结果表明,拍长倒数与温度和应变均有很好的线性关系,并随温度和应变的增大而减小和增大。在五波混频方程的基础上研究了相位匹配条件是否等于零的情况下,布里渊动态光栅反射率和反射谱与光栅长度的关系,并进行相关公式的推导与数值模拟。结果表明,在相位匹配条件等于零情况下,反射率随光栅长度平方的增大而增大;在相位匹配条件不等于零时,反射谱线宽和最大反射率均随光栅长度的增大而变小。本文最后对基于布里渊动态光栅双折射频移和基于布里渊频移测量误差对温度、应变(同时)测量误差的影响规律进行了分析。结果表明,采用双折射频移进行单独测量时的误差对温度、应变的测量结果的误差影响相对采用布里渊频移单独测量和同时测量时较小。相关研究为进一步提高基于光纤的温度和应变传感系统测量精度提供了理论依据。
【图文】：

框图,传感系统

olarization Maintaining Fibers)中的受激布里渊散射。而且，搭都是基于受激布里渊散射的 BOTDA 或 BOCDA，并且这两种量精度和空间分辨率上都相对已广泛应用的 BOTDR 传感技对基于光纤传感的高精度、高空间分辨率测量具有重要意义于 BOTDA 的 BDG 研究9 年 Horiguchi T 等人用于光纤的无损耗测量时，提出了基于 B纤传感技术，并成功实现了对应变信息的分布式检测[9, 10]。随者通过实验发现：基于 BOTDA 的分布式光纤传感技术由于检得它在长距离、连续分布式监测温度与应变上能够实现很高的的空间分辨率也很高。典型的 BOTDA 传感系统框图如图 1-1 发出的连续光频率以低于激光器 1 发出的脉冲光频率一个布illouin Frequency Shift)从光纤一端进入后，在与脉冲光 1 相遇渊放大作用，，会使频率高的脉冲光将能量转移给频率低的连续检测器检测连续光频移便可实现传感信息(温度、应变等)的测

实验装置,光纤,声波场,偏振控制器

图 1-2 用于 BDG 光谱的光时域测量的实验装置系统中采用 102 m 长的熊猫型 PMF 作为测试光纤，泵浦光源的中心波长550 nm，输出的泵浦光通过一个 50：50 的耦合器进行分路，下支路经过电光器(EOM, Electro-Optic Modulator)1 产生一个 20 ns 的布里渊增益带宽信Pump1)，并通过掺铒光纤放大器(EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier)放大振控制器使其沿光纤x轴进行传输，再由偏振分束器将泵浦1送入测试光纤中支路经过一个单边带调制器(SSBM, Singled-Sideband Modulator)调制产生泵，经 EDFA 放大与光隔离器再由偏振控制器使其沿光纤 x 轴进行传输，最后振分束器将 Pump2 送入 PMF 中。两束泵浦光进入 PMF 后，由于受激布里大，在电致伸缩效应下产生声波场，该声波场会对介质折射率进行周期性调制光器 2 发出的探测光(Probe)经调制放大后，在偏振控制器的作用下沿光纤 y 行传入 PMF 中，进入光纤的探测光会被声波场反射。最后，通过探测器探射光，相关数据送入采集设备中。通过该实验在 102 m 测试光纤中得到了 2空间分辨率，并实测了光纤快慢轴(x、y 轴)的布里渊频移，发现二者相差约 2Hz，同时得到了-50.92 MHz/℃的温度系数。同年他又提出了一种基于 PMF
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253

【参考文献】