光纤布拉格光栅的增敏封装及定位安装技术研究

发布时间：2017-09-13 15:08

  本文关键词：光纤布拉格光栅的增敏封装及定位安装技术研究

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【摘要】：光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)具有体积小、熔接损耗小、耐腐蚀、不受光强波动的影响、可实现多点分布式测量、便于单光源的波分复用以及抗电磁干扰等优良特性;且其谐振峰波长对温度、应变等物理量的变化比较敏感。因此,FBG在光纤通信及光纤传感领域应用广泛。然而,裸光栅细小质脆,易损坏,将其定位安装于结构件较困难;裸光栅的温度、应变灵敏度低,无法满足对温度、应变分辨率要求高的工况。因此,FBG应用于工程前需要对其进行增敏和保护封装。如何提高FBG温度、应变传感特性以及如何成功将其安装于工程结构件表面或内部,需要进一步探索。本文针对FBG的增敏封装及定位安装技术等问题进行了系统研究,主要内容如下:1)为了对FBG进行温度增敏,提出了一种FBG毛细管式封装工艺。采用此工艺对FBG进行了封装试验,研究了封装后FBG的温度传感特性。试验对比了FBG封装前后的中心波长、动态响应速度、中心波长稳定性和温度灵敏度等传感特性。结果表明:封装后的FBG中心波长增大了0.1~0.2 nm;封装后的FBG温度动态响应速度基本不变;封装后的FBG中心波长稳定性有所降低,产生约0.3℃的测量波动;不同聚合物与毛细锌管封装的FBG温度灵敏度分别提高到18.25pm/℃、21.87 pm/℃、35.13 pm/℃,约为裸光栅的1.9倍、2.3倍、3.6倍。建立了毛细管式封装FBG的温度传感模型,通过对比试验值与理论值,相对误差均在10%以下,从而验证了模型的正确性与可靠性。基于该温度传感模型研究封装材料参数对FBG温度灵敏度的影响。2)采用化学镀结合电镀对FBG进行了表面金属化,分别实现化学镀铜、镍、钴,以及在化学镀后实现电镀铜、镍。研究了金属化FBG的温度灵敏度及失效温度;针对镀层材料参数对FBG温度灵敏度的影响程度进行了数值仿真分析。结果表明:镀铜FBG、镀镍FBG和镀钴FBG温度灵敏度分别达到23.83 pm/℃、19.22 pm/℃和11.95 pm/℃;在20 min高温环境下,金属化FBG的失效温度约为900℃,比裸光栅提高了约100℃;在一定范围内,随着热膨胀系数、弹性模量、泊松比和镀层厚度的增大,FBG的温度灵敏度均能不同程度的增大。3)采用钎焊方法成功地将镀镍FBG分别埋入到铜基体、TC4基体和铝合金基体中,观察了钎焊接头的横截面显微组织。对比了埋入后的FBG的中心波长和光谱变化。结果表明,不同焊接材料埋入的FBG中心波长漂移量分别为3.281nm、8.252 nm、5.784 nm;埋入的FBG的温度灵敏度分别提高到26.9 pm/℃、22.77 pm/℃、28.65 pm/℃,约为裸光栅的3倍。采用ANSYS模拟了金属化FBG埋入铜基板表面的钎焊过程中FBG中心波长漂移情况。温度从230℃降到30℃,中心波长漂移值为ΔλB=-4.17 nm,与试验结果ΔλB=-3.281 nm相近。因此,模拟结果较为可靠,可以借助有限元分析计算FBG埋入到各种金属基体后中心波长的漂移量,从而分析FBG焊后所受残余应力的大小。4)提出了一种将金属化FBG定位安装在金属基体表面的电镀安装法。采用电镀法成功将镀铜FBG安装在T2基板表面,将镀镍FBG安装在Q235表面。对电镀安装的FBG的接头质量,接头强度,光谱特性,温度、应变传感特性进行了系统研究。结果表明:接头强度高于金属化FBG的抗拉强度,且金属化FBG的抗拉强度提高到金属化前的两倍,电镀接头具有可靠的机械性能;安装后光谱变化较小,且中心波长降低量在1 nm以内,说明电镀后FBG的残余压应力较小;温度灵敏度提高到30.6 pm/℃,约为裸光栅的3倍;应变灵敏度大幅提高,达到4.998×103 pm/με。因此,电镀安装的FBG具有良好的温度、应变传感特性,电镀法安装FBG具有良好的可行性。
【关键词】：光纤布拉格光栅 毛细管式封装 金属化 钎焊 电镀 温度灵敏度 应变灵敏度
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN253
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 概论11-12
• 1.2 光纤光栅增敏及定位安装技术的研究现状及分析12-17
• 1.2.1 光纤光栅的温度增敏技术13-15
• 1.2.2 光纤光栅的应力、应变增敏技术15-16
• 1.2.3 光纤光栅的定位安装技术16-17
• 1.3 光纤光栅传感器的主要应用17-19
• 1.3.1 航空航天的健康监测17-18
• 1.3.2 桥梁建筑的健康监测18
• 1.3.3 石油化工的健康监测18-19
• 1.3.4 电力工程的健康监测19
• 1.4 主要研究内容及方案19-21
• 第2章 光纤光栅的基本结构和传感原理21-25
• 2.1 光纤光栅的基本结构21
• 2.2 光纤光栅的传感原理21-25
• 2.2.1 温度传感模型22-23
• 2.2.2 应变传感模型23-25
• 第3章 光纤光栅的毛细管式封装及传感特性研究25-41
• 3.1 概述25-26
• 3.2 光纤光栅的毛细管式封装26-32
• 3.2.1 实验材料26-27
• 3.2.2 光纤光栅施加预应力毛细管式封装试验27-29
• 3.2.3 毛细锌管封装的光纤光栅的温度传感特性分析29-32
• 3.3 毛细管式封装光纤光栅的温度传感模型32-37
• 3.3.1 FBG传感原理32
• 3.3.2 热应力分析32-37
• 3.4 毛细管式封装FBG温度传感模型的应用37-40
• 3.4.1 试验与验证37-38
• 3.4.2 封装材料性能和封装结构尺寸对温度灵敏度的影响38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章 光纤光栅的金属化及传感特性研究41-64
• 4.1 概述41-42
• 4.2 光纤表面化学镀预处理工艺42-44
• 4.2.1 去保护层、清洁和除油42-43
• 4.2.2 光纤表面的敏化43
• 4.2.3 光纤表面的活化43-44
• 4.3 光纤表面化学镀工艺44-49
• 4.3.1 化学镀铜基本原理44
• 4.3.2 化学镀铜试验及结果44-45
• 4.3.3 化学镀镍基本原理45-46
• 4.3.4 化学镀镍试验及结果46-47
• 4.3.5 化学镀钴基本原理47-48
• 4.3.6 化学镀钴试验及结果48-49
• 4.4 金属化光纤光栅表面电镀工艺49-53
• 4.4.1 电镀铜基本原理49
• 4.4.2 金属化光纤光栅表面电镀铜试验及结果49-51
• 4.4.3 电镀镍基本原理51-52
• 4.4.4 金属化光纤表面电镀镍试验及结果52-53
• 4.5 金属化光纤光栅的温度传感试验53-55
• 4.6 金属化光纤光栅高温失效试验55-58
• 4.6.1 失效过程的光谱特性56-57
• 4.6.2 功率衰减57-58
• 4.7 金属镀层对光纤光栅温度传感特性的影响58-63
• 4.7.1 仿真与分析58-61
• 4.7.2 试验与验证61-63
• 4.8 本章小结63-64
• 第5章 光纤光栅的钎焊法定位安装及传感特性研究64-72
• 5.1 概述64
• 5.2 光纤光栅埋入金属基体实验64-66
• 5.3 光纤光栅温度传感特性试验66-68
• 5.3.1 光谱特性66-67
• 5.3.2 温度灵敏度67-68
• 5.4 ANSYS有限元模拟68-70
• 5.5 本章小结70-72
• 第6章 光纤光栅的电镀法定位安装及传感特性研究72-81
• 6.1 概述72-73
• 6.2 FBG的电镀法定位安装试验73-74
• 6.3 试验与讨论74-80
• 6.3.1 光谱特性74-75
• 6.3.2 接头强度75-76
• 6.3.3 温度传感特性76-79
• 6.3.4 应变传感特性79-80
• 6.4 本章小结80-81
• 第7章 总结与展望81-84
• 7.1 总结81-82
• 7.2 展望82-84
• 致谢84-85
• 参考文献85-91
• 攻读学位期间的研究成果91-92

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本文编号：844417