新型高灵敏度光纤扭转传感器的研究

发布时间：2020-06-10 13:13

【摘要】：近年来,随着现代智能结构监测领域的发展,扭转作为反映受监测结构的应力状态和内部损伤状况的一个重要物理参数,使得扭转传感器受到了人们越来越多的关注。传统的扭转传感器主要由电学扭转传感器和磁学扭转传感器这两大类组成。然而,前者易受外界环境中的电磁场和温度变化的影响,后者制作复杂,体积庞大,不易安装于监测结构的内部。相比之下,光纤扭转传感器作为一种新型的扭转传感器,能够克服传统扭转传感器的众多缺点,被广泛应用于现代智能结构监测领域。本文主要提出了三种新型高灵敏度光纤扭转传感器,并对这三种扭转传感器的扭转传感机理进行了深入研究,同时结合实验研究对其可行性进行了论证。具体的研究成果如下:(1)使用飞秒激光器在单模光纤上制备出逐线相移布拉格光栅(PSFBG)。通过精准控制两个逐线均匀FBG之间的间距,成功刻写出相移量分别为π/2、π和3π/2的四阶PSFBG。在正交偏振态下,实验测得两个π-PSFBG透射谱中透射窗口所在波长的漂移量分别为210 pm,252 pm,其对应的双折射大小分别为2.0×10~(-4)和2.4×10~(-4)。飞秒逐线法能够对单个相移进行控制,无需通过任何后期处理对相移进行调整,可实现PSFBG的快速刻写。(2)提出了一种基于飞秒逐线PSFBG的温度和应力无关的高灵敏度光纤扭转传感器。由于飞秒逐线PSFBG具有较大的双折射,因此其透射谐振峰上可以观察到明显的偏振分裂现象。通过简单地监测两个偏振谐振峰透射强度差值的变化,能够实现对扭转角以及扭转方向的同步解调,同时消除温度和应力的串扰。这类扭转传感器的灵敏度高达1032.71 dB/(rad/mm),制造成本低、结构简单、尺寸小仅为1.72 mm,这些优点对于实际应用极具吸引力。(3)提出了基于透射式和反射式Lyot滤波器的高灵敏度光纤扭转传感器。基于强度调制,这两种扭转传感器的扭转灵敏度分别高达15.586 dB/rad,20.336 dB/rad。同时,其对温度和应力均不敏感。此外,通过仿真分析,我们对实验结果进行了验证,有力的证明了这类基于Lyot滤波器的扭转传感器的可行性。(4)提出了一种基于全光纤Sagnac干涉仪的高灵敏度扭转传感器。通过使用飞秒激光在光纤环内的单模光纤包层内刻写一条平行于纤芯的直线波导,导致单模光纤内部应力分布不对称,从而在单模光纤内部引入低双折射,构造出Sagnac干涉仪。这种Sagnac干涉仪仅由单模光纤构成,内部无熔接点,因此制造成本低、结构坚固,同时具有极低的传输损耗。实验结果表明,我们所提出的这类扭转传感器的扭转灵敏度高达3.2562 nm/degree,其扭转分辨率高达0.003o。相比之下,其温度和应力串扰分别低至-0.000055 degree/oC,0.000013 degree/με,因此克服了温度和应力引入的串扰问题。
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华中科技大学博士学位论文式、远程监测纤将多个光纤传感器连接起来进行组网，可实现分布式测量；构成，与光纤具有很好的兼容性，因此可直接通过光纤接入程监测。上独特的优势，研究人员对光纤传感器进行了大量的研究，相感器，并将其广泛应用于各种领域。随着光纤与纳米材料技术纤传感器的类型将进一步增多，其应用领域将会得到进一步的感器的原理及应用传感器的基本原理

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通常是预先提取病人的血液，然后在实验室中进行化学检测。这种检测手段，，耗时长，同时还可能出现错误。因此，目前迫切需要开发出一种低成本的测设备，能够实现快速、准确的检测。光纤传感器具有尺寸小、生物兼容性好、无毒、响应速度快等独特优势，能满足以上要求，因此可被广泛应用于生物医学领域。由于光纤传感器不会与系统发生反应，可将其直接应用于病人的体内检测，或者留置在病人体内进续的病情检测。目前，光纤传感器在生物医药领域的应用在不断拓展，从外常用的光纤内窥镜到临床医疗诊断中血液和药物的各种物理和化学参数的用到了光纤传感器[36-40]。光纤传感器的分类1 光纤光栅型传感器(1)长周期光栅
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212

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