基于啁啾光纤光栅偏振特性的小线度横向作用应力传感研究与设计

发布时间：2020-04-24 01:33

【摘要】：线性啁啾光纤光栅受到横向应力作用而作用线度即光纤光栅受力区域长度与光纤直径处于同一数量级时,不能忽略该区域的轴向展宽。本文在啁啾光纤光栅受到小线度的横向应力的条件下,基于空间弹性力学受力分析,根据轴向展宽导致的相移,结合相移线性啁啾光纤光栅相移点位置与光谱透射峰位置对应特性,及横向应力导致的双折射现象,建立了利用偏振相关损耗和斯托克斯参量实现小线度横向应变传感的两种理论模型。计算分析结果表明:线性啁啾光纤光栅在小线度横向应力条件下,受力大小与光纤透射系数呈指数相关,而与偏振相关损耗谱峰值大小呈线性变化关系。而偏振相关损耗谱峰波长与横向应力作用位置相对应,且与应力大小有关。同样在小线度横向应力条件下,应力大小在弹性限度范围内与Stokes-s1参量峰值呈线性变化关系。而Stokes-s1参量谱峰波长与与应力大小有关,同样与横向应力作用位置相对应。通过分析透射谱的Stokes-s1参量或者PDL,可实现对横向应力大小和位置传感。结合现有条件,对斯托克斯参量与横向应力变化的理论模型进行了实验测量和验证。由于受力线度相比传统封装的横向应力传感器,受力区域从整个栅区缩小到很小的线度内,有效地增加了单位栅区长度上的压强,提高了应力变化作用于光纤光栅的应力大小变化程度,从而增加了光纤光栅传感的灵敏度。并且由于小线度横向应力作用下的光栅特性相比于全栅区作用时具有相移光栅特性,相应可以反映例如受力位置与偏振特性峰值的对应关系等,因此具有更好的实际应用价值。实际应用中通过固定封装点式受力区的线度大小,可以有效增敏横向应力的测量;如果使用一组点式受力区位置不同的封装传感器,可以串接组成横向应力传感网络准确定位传感位置。
【图文】：

南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论啾光纤光栅可以产生稳定的而且大的色散，所以在光纤通信中常用作色散补偿器[35][36]并且还能用作脉冲压缩整形，作为脉冲产生器使用[37]。啁啾光纤光栅最大的特点在于其周期分布或折射率分布是非均匀的，周期调制的线性啁啾光纤光栅的周期分布与坐标 z 的关系为线性递增，折射率调制的线性啁啾光纤光栅折射率分布于坐标 z 的关系为余弦函数。所以啁啾光纤光栅的制备方法根据折射率调制和周期调制来分为两种，并由此产生了多种不同的制备方法。其中折射率调制的代表性方法有腐蚀法制作 CFBG[38]。在均匀布拉格光纤光栅 FBG 栅区进行梯度腐蚀，沿着一个方向使得光栅有效折射率面积递减，则光纤光栅有效折射率随着光栅横截面面积减小而减小。形成一种折射率调制，形成周期均匀但折射率单调变化的啁啾光纤光栅。如图 1.1 所示，，这种方法的缺点在于需要通过腐蚀光纤的包层，得到一个锥形的光纤，腐蚀的程度难以控制，同时会损害到光纤光栅自身的机械性能，局限了其应用范围。

全息干涉条纹照射等制备方法，利用照射在光敏光纤上的条纹间距单调变化的特性来进行周期调制，如图1.2 与 1.3。还有一种方法是先将光敏光纤腐蚀并使用压力模具定型，再使用普通布拉格光纤光栅制备方法制备光纤光栅，最后释放压力的时候，光纤由于弹性形变恢复展宽，即形成了啁啾[39]。其也属于一种周期调制的制备方法。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TP212

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本文编号：2638376