光纤布拉格光栅功率解调传感器及多微孔塑料光纤传感器的研究

发布时间：2017-07-31 08:10

  本文关键词：光纤布拉格光栅功率解调传感器及多微孔塑料光纤传感器的研究

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【摘要】：光纤布拉格光栅(FBG)具有反射峰细锐,布拉格波长对外界因素敏感,体积小等诸多优点。因此,基于FBG的光纤传感器得到了广泛研究。此类传感器的测量机制主要是波长解调,即利用外界因素调制布拉格波长。本论文首次提出了FBG的功率解调机制,并利用此机制成功测量了温度、倾斜、应力、位移等物理量。塑料光纤(POF)被用于传感领域的时间晚于FBG。但POF具有许多FBG不具备的优点:纤芯和数值孔径大,机械强度高,易于加工,柔软,连接简单等。飞秒激光加工能够有效避免热效应,这一优点在对热敏感的POF加工上尤为重要。本论文利用飞秒激光在POF上打出微孔,对多微孔POF在应力测量方面的理论和实验进行了研究。首先,本文介绍了光纤传感器的分类,应用和研究概况,并从结构和测量原理两方面介绍了光纤布拉格光栅和塑料光纤。其次,本文介绍了光纤布拉格光栅功率解调传感器的理论和实验研究。本文利用一对布拉格波长相同的FBG,其中一个FBG的反射谱入射到另一个FBG上,在后者的透射谱中,在原布拉格波长两侧将会出现两个峰,称之为“左峰”和“右峰”。当其中一个FBG的布拉格波长受外界因素影响发生移动时,“右峰”和“左峰”的功率差值将发生变化。这就是功率解调的原理。利用此原理本文对温度、倾斜、应力、位移进行了测量。在布拉格波长1525 nm附近实现了对温度的分段测量,测温范围可达25°C 135°C,最高测温精度为1.35±0.02 d Bm/°C。而在同等条件下,布拉格波长的温度敏感性只有9.12×10-3 nm/°C。利用两个光栅对实现了对倾斜角度的测量,可辨别倾斜方向,精度高达403 d Bm/°,分辨率为2.481×10-5°,即量程的0.08%。利用反射峰反射率不同的光栅对实现了对应力的测量,反射率大的光栅对的测力精度为(1.16±0.06)×103 d B N-1,测量范围是0-4.40×10-3 N。进行位移测量时,采用两个FBG串联的方式,在后者FBG的透射谱中就只有一个峰了,通过监测此峰功率便可实现位移测量,精度可达(3.80±0.11)×10-2 d Bm/μm,量程可达540μm。此外我们还发现,功率解调原理的测量范围正比于FBG的反射峰线宽,测量精度正比于反射峰边沿坡度。最后,本文利用多微孔POF传感器进行了应力测量。POF的微孔是由800 nm飞秒激光加工的,微孔的直径大约为150μm。本文研究了微孔数量和孔间距对于插入损耗的影响。结果显示:孔间距不变时孔数量越多插入损耗越大;孔数量不变时,最大插入损耗出现在间距1.25 mm处。孔数13,间距1.25 mm的传感器的量程为0 N-65 N,测力精度0.24 d B/N,具有高线性度和良好的重复性。本文还利用POF实现了对硝酸钾溶液物理性质的监测。在硝酸钾升温溶解过程中可同时测量溶解度和溶液温度,且测量精度较高,线性度较好。
【关键词】：光纤布拉格光栅 塑料光纤 传感器 功率解调 飞秒激光
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-15
• 1.1 光纤传感器分类及应用11-12
• 1.2 光纤传感器研究概况12-14
• 1.2.1 光纤温度传感器研究概况12-13
• 1.2.2 光纤倾斜传感器研究概况13
• 1.2.3 光纤应力传感器研究概况13-14
• 1.2.4 光纤位移传感器研究概况14
• 1.3 本论文主要研究工作14-15
• 第2章 光纤布拉格光栅及塑料光纤简介15-18
• 2.1 光纤布拉格光栅15-16
• 2.1.1 基本结构15
• 2.1.2 传感原理15-16
• 2.2 塑料光纤16-18
• 2.2.1 基本结构16-17
• 2.2.2 传感原理17-18
• 第3章 光纤布拉格光栅功率解调传感器的理论和实验研究18-42
• 3.1 功率解调的方案设计与传感原理18-21
• 3.1.1 方案设计18
• 3.1.2 传感原理18-20
• 3.1.3 影响因素分析20-21
• 3.2 温度测量的理论模拟与实验研究21-26
• 3.2.1 传感器设计21-22
• 3.2.2 理论模拟22-23
• 3.2.3 实验研究23-25
• 3.2.4 研究结论25-26
• 3.3 倾斜测量的理论模拟与实验研究26-31
• 3.3.1 传感器设计26
• 3.3.2 理论模拟26-27
• 3.3.3 实验研究27-31
• 3.3.4 研究结论31
• 3.4 应力测量的理论模拟与实验研究31-38
• 3.4.1 传感器设计31-32
• 3.4.2 理论模拟32-35
• 3.4.3 实验研究35-37
• 3.4.4 研究结论37-38
• 3.5 位移测量的理论模拟与实验研究38-42
• 3.5.1 传感器设计38
• 3.5.2 理论模拟38-39
• 3.5.3 实验研究39-41
• 3.5.4 研究结论41-42
• 第4章 多微孔塑料光纤传感器的理论和实验研究42-51
• 4.1 传感机制42-45
• 4.2 实验研究45-49
• 4.3 研究结论49-51
• 第5章 利用塑料光纤监测硝酸钾溶液物理性质51-55
• 5.1 原理机制51-53
• 5.2 实验研究53
• 5.3 结果讨论53-55
• 第6章 总结与展望55-56
• 参考文献56-63
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果63-66
• 致谢66

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本文编号：598157