工程化光纖光柵傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究.pdf

1、光纖光柵(fiber grating)作為一種新型的光無(wú)源器件，因其具有諸多獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，使其在光通信和光傳感領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。其中，光纖光柵在傳感應(yīng)用領(lǐng)域以其靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、長(zhǎng)期可靠性好、抗外界干擾能力強(qiáng)、體積小、便于組成傳感網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，受到各國(guó)研究者的極大關(guān)注。尤其是近年來(lái)，有關(guān)光纖光柵的研究工作取得了很大突破。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，目前應(yīng)變、應(yīng)力、壓力、溫度、位移、加速度等光纖光柵傳感器已開(kāi)始應(yīng)用于橋梁、大壩、混凝土

2、結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工檢測(cè)，并在其運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)中得到了實(shí)際應(yīng)用。此外，光纖光柵傳感器在石化和電力的溫度監(jiān)測(cè)中也得到了實(shí)際應(yīng)用。隨著光纖光柵傳感技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，光纖光柵傳感器及其傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會(huì)獲得更廣泛的應(yīng)用。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容來(lái)源于國(guó)家科技部863計(jì)劃課題資助項(xiàng)目、天津市重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目以及上海市科技項(xiàng)目，以解決布拉格光纖光柵傳感技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題為研究重點(diǎn)，通過(guò)對(duì)光纖光柵傳感理論和應(yīng)用技術(shù)的研究，結(jié)合工程

3、應(yīng)用的具體要求對(duì)傳感用布拉格光纖光柵的制作方法、工程化傳感器研制、信號(hào)解調(diào)技術(shù)的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究，取得了創(chuàng)新性研究成果。全文共分六章，主要內(nèi)容包括： 第1章：比較系統(tǒng)地總結(jié)了光纖光柵技術(shù)原理、分類、應(yīng)用以及發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)，以布拉格光纖光柵為敏感基元，對(duì)其傳感原理和傳感理論的最新發(fā)展進(jìn)行了分析和闡述。 第2章：系統(tǒng)闡述了光纖光柵三種理論分析方法：耦合模理論、傳輸矩陣法和傅氏變換法，對(duì)三種分析方法的內(nèi)容和特點(diǎn)進(jìn)行了較為全

4、面的總結(jié)。對(duì)均勻光纖光柵、長(zhǎng)周期光纖光柵、啁啾光纖光柵、Tapered光纖光柵、Morie光纖光柵、Blazed光纖光柵、相移光柵、超結(jié)構(gòu)光柵等幾種典型的光纖光柵的折射率分布特點(diǎn)、反射譜特性進(jìn)行了模擬和分析。 第3章：結(jié)合光纖光柵制作基本方法，系統(tǒng)研究了達(dá)到產(chǎn)品化性能要求的布拉格光柵制作的關(guān)鍵技術(shù)：如光纖的預(yù)處理技術(shù)、波長(zhǎng)控制技術(shù)、切趾技術(shù)等。采用關(guān)鍵技術(shù)，傳感用光纖光柵波長(zhǎng)的最大拉伸量達(dá)到10nm；自行開(kāi)發(fā)出一種新穎的調(diào)諧機(jī)構(gòu)，使

5、光纖光柵波長(zhǎng)調(diào)諧范圍達(dá)到40nm，該成果處于國(guó)際領(lǐng)先水平；使用自行開(kāi)發(fā)的切趾技術(shù)，寫制的啁啾光柵時(shí)延抖動(dòng)以達(dá)到10pcs，以之為基礎(chǔ)元件生產(chǎn)的光纖光柵色散補(bǔ)償器，其性能指標(biāo)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。第4章：以實(shí)用化、可靠性為目標(biāo)，從工程適應(yīng)性對(duì)傳感器的要求出發(fā)，系統(tǒng)研究了光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和工藝手段等，詳細(xì)介紹了光纖光柵鋼筋計(jì)、光纖光柵埋入式傳感器、光纖光柵溫度傳感器等幾種典型的工程化光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)思想、制作方法和工程應(yīng)用

6、。開(kāi)發(fā)出的光纖光柵鋼筋計(jì)、應(yīng)變傳感器在-25～+60℃溫度范圍內(nèi)，量程范圍在-1000～+1000 μe；分辨力達(dá)到<0.1％ES；重復(fù)性為1％ES。溫度傳感器量程在-30℃～+120~C工作環(huán)境中；分辨率達(dá)到0.1℃；精度達(dá)到±1.0℃；重復(fù)性達(dá)到±1.0℃。性能測(cè)試結(jié)果表明：上述光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)達(dá)到要求，能夠滿足工程化要求。 第5章：根據(jù)光纖光柵解調(diào)技術(shù)的特點(diǎn)并結(jié)合工程化要求，提出并設(shè)計(jì)了基于F-P濾波器和雙DSP結(jié)構(gòu)的

7、光纖光柵解調(diào)儀方案，詳細(xì)介紹了該解調(diào)儀的設(shè)計(jì)思想、制作方法和工程應(yīng)用。一種解調(diào)儀達(dá)到10個(gè)通道可以同時(shí)以100 Hz速率掃描在40nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描，分辨率達(dá)到1pm。 第6章：構(gòu)建了工程結(jié)構(gòu)體監(jiān)測(cè)模型，分析了橋梁工程力學(xué)結(jié)構(gòu)，以橋梁施工監(jiān)測(cè)為例，設(shè)計(jì)了典型的工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目方案。比較詳細(xì)地闡述了光纖光柵傳感系統(tǒng)在橋梁、高層建筑、油罐等工程中的具體應(yīng)用。從實(shí)際工程應(yīng)用的效果，闡述了光纖光柵傳感技術(shù)在上述領(lǐng)域監(jiān)測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)以及廣泛的應(yīng)用