极大倾角光纤光栅振动传感器性能及优化研究
发布时间：2021-09-02 11:04
在建筑结构健康检测、航空航天、周界安防、石油勘探工业等诸多领域中,实时准确地获取应变、振动信号等信息有着十分重要的意义。光纤光栅传感器凭借其优越的应变灵敏度响应、结构紧凑、耐腐蚀、抗电磁干扰等特点,在以上传感应用领域中颇受关注。但是传统的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating,FBG）、长周期光纤光栅（Long period fiber grating,LPFG）由于传感器自身的固有传感限制和波长解调的交叉灵敏性,限制了其灵敏度的提升和矢量性检测中的应用。本论文的研究中,在课题组之前对极大倾角光纤光栅（Excessively tilted fiber grating,ExTFG）等强度悬臂梁振动传感研究的基础上,提出ExTFG振动传感器的性能优化方法,包括细直径ExTFG和包层腐蚀型ExTFG的振动传感器性能研究,然后进一步对传感器弯曲矢量特性和矢量振动传感性能做了深入的研究。具体研究内容包括:1.介绍了ExTFG的基本结构和推导了其模式耦合理论,并详细地分析了ExTFG的纤芯、包层模式有效折射率等光谱特性,然后研究ExTFG的SRI、应变、弯曲及振动传感特性。2.研究...
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）错位熔接型TFBG加速度计[112]和（b）熔融拉锥型TFBG加速度计[113]
1绪论7前端进行微偏移的错位熔接，使得反射的低阶包层模耦合到纤芯进行传播，其结构如图1-1（a）所示，进而完成了频率响应高达2KHz温度免疫的振动功率检测。整个传感器的可以小到10mm，但对于振动加速度的响应灵敏度并未提及。次年，他们团队[113]再次通过电弧放电的形式在TFBG的反射后端距离栅区约5mm处制作了一个锥形结构，把部分包层模式重新耦合到纤芯传播，其结构如图1-1（b）所示。整个传感器的大小为40mm且封装套管是可调谐的，在频率从直流（DC）增加到250Hz时，传感器的非共振响应减校在共振频率为51Hz时的响应灵敏度仅为120nW/G。2012年，GuoT等[114]利用多模光纤中刻写的TFBG与单模光纤拼接，实现了对振动信号的定向检测。图1-2准分布式FBG振动传感原理图[115]。2013年，LinzeN等[115]提出了一种基于光的偏振特性的新型准分布式FBG振动传感器，实验原理如图1-2所示。其原理依赖于机械换能器与FBG的结合。当受到振动时，机械换能器会在光纤内引起双折射变化，进而改变偏振状态，该偏振状态在通过偏振器后表现为功率变化。FBG反射来自传感光纤不同位置的光，并提供波长复用。2014年，LiuQ等[116]提出了一种基于双隔膜的FBG加速度计，并进行了实验验证。其加速度传感系统如图1-3所示，其中FBG加速度计由FBG传感器和两个弹性材料封装构成。实验结果表明，FBG加速度计提供了50~800Hz的宽平频率范围，相应平坦区域的灵敏度范围为23.8~45.9pm/G，动态分辨率可达0.385mg/√Hz，动态范围为80dB。
重庆理工大学硕士学位论文8图1-3基于双隔膜的FBG加速度传感系统[116]。图1-4特殊TCF-FBG加速度传感系统[117]。同一年，RongQ等[117]提出了一种基于光纤包层光栅刻写的定向敏感光纤加速度计。传感器探头有一个紧凑的结构，其中包含一个光纤包层布拉格光栅(FBG)的一小段薄芯光纤(Thin-corefiber,TCF)被没有任何横向偏移的拼接到另一个标准单模光纤(SMF)上。由于包层FBG沿光纤截面的不对称分布，其透射光谱具有两个清晰的FBG反射共振，表现出很强的极化和弯曲依赖性。其特殊TCF-FBG加速度传感系统如图1-4所示，由可调谐激光光源输入的光信号经过环形器到达传感测试光纤，然后通过对包层共振的功率检测，实现了振动（加速度）测量的强取向依赖性。同时，通过监测纤芯基模的FBG共振，可以排除不必要的功率波动和温度扰动的影响。图1-5（a）DCF-TFBG加速度计示意图和（b）DCF折射率分布图[118]。2017年，CaiS等[118]提出并实验证明了一种紧凑的光纤光栅振动传感器，其中倾斜的布拉格光栅刻写在凹陷包层光纤（depressedcladdingfiber，DCF）的纤芯中，其结构如图1-5（a）所示，利用SMF与DCF的正常拼接使得反射共振再次耦合进入纤
【参考文献】：
期刊论文
[1]极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感器性能优化[J]. 罗彬彬,谢浪,王亚杰,邹雪,石胜辉,叶露,蒋上海,赵明富,汪治华. 光学学报. 2019(08)
[2]High-sensitivity FBG microphone with static pressure equalization and optimized response[J]. 张发祥,王昌,张晓磊,姜劭栋,倪家升,彭纲定. Chinese Optics Letters. 2019(01)
[3]基于高速动态光栅解调系统的FBG等强度悬臂梁振动传感特性研究[J]. 石胜辉,罗彬彬,杨万猛,胡新宇,赵明富,邹雪,叶露,谢浪. 激光杂志. 2018(10)
[4]基于极大倾角光纤光栅的龙门架低频振动传感系统的性能研究[J]. 胡新宇,杨万猛,罗彬彬,赵明富,叶露,卢化锋,石胜辉,谢浪. 半导体光电. 2018(05)
[5]基于多层石墨烯材料的光纤声波传感器[J]. 李晨,陆雪琪,庾财斌,吴繁,吴宇. 光学学报. 2018(03)
[6]等离子体共振光纤光栅生物传感器综述[J]. 郭团. 光学学报. 2018(03)
[7]强度解调的光纤光栅振动检测硬件电路设计与实验研究[J]. 张法业,姜明顺,隋青美,曹玉强,徐伟,刘晓慧,耿湘宜. 传感技术学报. 2015(12)
[8]一种用于周界入侵监测的FBG振动传感器[J]. 李洪才,刘春桐,张志利. 光电子·激光. 2015(10)
[9]低频高灵敏度光纤Bragg光栅振动传感器设计[J]. 张继军,吴祖堂,潘国锋,赵咏梅,陈志军,彭映成. 光子学报. 2014(S1)
[10]简支梁结构的光纤光栅振动传感器[J]. 李岚,董新永,赵春柳,孙一翎,金尚忠,张在宣. 红外与激光工程. 2011(12)
博士论文
[1]基于半导体激光自混合干涉的振动测量研究与应用[D]. 黄贞.哈尔滨工业大学 2014
[2]光学干涉计量用于振动测量的算法和实验研究[D]. 杨翀.中国科学技术大学 2012
硕士论文
[1]FBG振动传感器的研究[D]. 王善鲤.西北大学 2010
[2]基于光纤传感技术的振动解调系统及其应用[D]. 姜曰科.山东大学 2009
[3]光纤布拉格光栅振动传感技术研究[D]. 周雪芳.武汉理工大学 2003
本文编号：3378894
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）错位熔接型TFBG加速度计[112]和（b）熔融拉锥型TFBG加速度计[113]
1绪论7前端进行微偏移的错位熔接，使得反射的低阶包层模耦合到纤芯进行传播，其结构如图1-1（a）所示，进而完成了频率响应高达2KHz温度免疫的振动功率检测。整个传感器的可以小到10mm，但对于振动加速度的响应灵敏度并未提及。次年，他们团队[113]再次通过电弧放电的形式在TFBG的反射后端距离栅区约5mm处制作了一个锥形结构，把部分包层模式重新耦合到纤芯传播，其结构如图1-1（b）所示。整个传感器的大小为40mm且封装套管是可调谐的，在频率从直流（DC）增加到250Hz时，传感器的非共振响应减校在共振频率为51Hz时的响应灵敏度仅为120nW/G。2012年，GuoT等[114]利用多模光纤中刻写的TFBG与单模光纤拼接，实现了对振动信号的定向检测。图1-2准分布式FBG振动传感原理图[115]。2013年，LinzeN等[115]提出了一种基于光的偏振特性的新型准分布式FBG振动传感器，实验原理如图1-2所示。其原理依赖于机械换能器与FBG的结合。当受到振动时，机械换能器会在光纤内引起双折射变化，进而改变偏振状态，该偏振状态在通过偏振器后表现为功率变化。FBG反射来自传感光纤不同位置的光，并提供波长复用。2014年，LiuQ等[116]提出了一种基于双隔膜的FBG加速度计，并进行了实验验证。其加速度传感系统如图1-3所示，其中FBG加速度计由FBG传感器和两个弹性材料封装构成。实验结果表明，FBG加速度计提供了50~800Hz的宽平频率范围，相应平坦区域的灵敏度范围为23.8~45.9pm/G，动态分辨率可达0.385mg/√Hz，动态范围为80dB。
重庆理工大学硕士学位论文8图1-3基于双隔膜的FBG加速度传感系统[116]。图1-4特殊TCF-FBG加速度传感系统[117]。同一年，RongQ等[117]提出了一种基于光纤包层光栅刻写的定向敏感光纤加速度计。传感器探头有一个紧凑的结构，其中包含一个光纤包层布拉格光栅(FBG)的一小段薄芯光纤(Thin-corefiber,TCF)被没有任何横向偏移的拼接到另一个标准单模光纤(SMF)上。由于包层FBG沿光纤截面的不对称分布，其透射光谱具有两个清晰的FBG反射共振，表现出很强的极化和弯曲依赖性。其特殊TCF-FBG加速度传感系统如图1-4所示，由可调谐激光光源输入的光信号经过环形器到达传感测试光纤，然后通过对包层共振的功率检测，实现了振动（加速度）测量的强取向依赖性。同时，通过监测纤芯基模的FBG共振，可以排除不必要的功率波动和温度扰动的影响。图1-5（a）DCF-TFBG加速度计示意图和（b）DCF折射率分布图[118]。2017年，CaiS等[118]提出并实验证明了一种紧凑的光纤光栅振动传感器，其中倾斜的布拉格光栅刻写在凹陷包层光纤（depressedcladdingfiber，DCF）的纤芯中，其结构如图1-5（a）所示，利用SMF与DCF的正常拼接使得反射共振再次耦合进入纤
【参考文献】：
期刊论文
[1]极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感器性能优化[J]. 罗彬彬,谢浪,王亚杰,邹雪,石胜辉,叶露,蒋上海,赵明富,汪治华. 光学学报. 2019(08)
[2]High-sensitivity FBG microphone with static pressure equalization and optimized response[J]. 张发祥,王昌,张晓磊,姜劭栋,倪家升,彭纲定. Chinese Optics Letters. 2019(01)
[3]基于高速动态光栅解调系统的FBG等强度悬臂梁振动传感特性研究[J]. 石胜辉,罗彬彬,杨万猛,胡新宇,赵明富,邹雪,叶露,谢浪. 激光杂志. 2018(10)
[4]基于极大倾角光纤光栅的龙门架低频振动传感系统的性能研究[J]. 胡新宇,杨万猛,罗彬彬,赵明富,叶露,卢化锋,石胜辉,谢浪. 半导体光电. 2018(05)
[5]基于多层石墨烯材料的光纤声波传感器[J]. 李晨,陆雪琪,庾财斌,吴繁,吴宇. 光学学报. 2018(03)
[6]等离子体共振光纤光栅生物传感器综述[J]. 郭团. 光学学报. 2018(03)
[7]强度解调的光纤光栅振动检测硬件电路设计与实验研究[J]. 张法业,姜明顺,隋青美,曹玉强,徐伟,刘晓慧,耿湘宜. 传感技术学报. 2015(12)
[8]一种用于周界入侵监测的FBG振动传感器[J]. 李洪才,刘春桐,张志利. 光电子·激光. 2015(10)
[9]低频高灵敏度光纤Bragg光栅振动传感器设计[J]. 张继军,吴祖堂,潘国锋,赵咏梅,陈志军,彭映成. 光子学报. 2014(S1)
[10]简支梁结构的光纤光栅振动传感器[J]. 李岚,董新永,赵春柳,孙一翎,金尚忠,张在宣. 红外与激光工程. 2011(12)
博士论文
[1]基于半导体激光自混合干涉的振动测量研究与应用[D]. 黄贞.哈尔滨工业大学 2014
[2]光学干涉计量用于振动测量的算法和实验研究[D]. 杨翀.中国科学技术大学 2012
硕士论文
[1]FBG振动传感器的研究[D]. 王善鲤.西北大学 2010
[2]基于光纤传感技术的振动解调系统及其应用[D]. 姜曰科.山东大学 2009
[3]光纤布拉格光栅振动传感技术研究[D]. 周雪芳.武汉理工大学 2003
本文编号：3378894
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