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《基于啁啾化光纖光柵與高雙折射光纖環(huán)境傳感技術(shù)的研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、南開大學(xué)博士學(xué)位論文基于啁啾化光纖光柵與高雙折射光纖環(huán)境傳感技術(shù)的研究姓名：董波申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：光學(xué)指導(dǎo)教師：趙啟大20080501摘要本論文是在國家科技部863項目、國家自然科學(xué)基金項目、教育部博士點基金項目、天津市科技重大攻關(guān)項目、中國石化集團科技項目等的支持下完成的。結(jié)合課題研究的目標(biāo)，對基于啁啾化光纖光柵和高雙折射光纖環(huán)鏡的傳感技術(shù)進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究。提出和設(shè)計了基于復(fù)雜應(yīng)變調(diào)制函數(shù)的光纖光柵傳感機構(gòu)，并將該機構(gòu)成功地應(yīng)用于光纖布喇格光柵(FiberBraggGrating,FBG)的啁啾化調(diào)諧、應(yīng)力和溫度
2、同時測量、溫度不敏感角度測量。提出和設(shè)計了幾類基于高雙折射光纖環(huán)鏡的新型傳感器，成功地實現(xiàn)了應(yīng)力和溫度同時測量及液位、電流、水聲的傳感測量。此外，結(jié)合中國石化集團的儲罐泄漏監(jiān)測項目，提出和設(shè)計了基于單模光纖端面?zhèn)鞲刑筋^的分布式儲罐泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用于中國石化集團天津分公司的長期模擬儲罐石油泄漏監(jiān)測中。本論文的主要內(nèi)容和成果概括如下：1、概述了傳感技術(shù)的基礎(chǔ)理論；分別歸納總結(jié)了光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢、分類和應(yīng)用，光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展、分類和關(guān)鍵技術(shù)，光纖干涉儀傳感技術(shù)的發(fā)展、分類和關(guān)鍵技術(shù)；指出了光纖傳感技術(shù)的國內(nèi)
3、外研究進展以及亟待解決的技術(shù)難點。2、系統(tǒng)地歸納總結(jié)了啁啾光纖光柵的理論分析方法，基于傳輸矩陣的分析方法對啁啾化光纖光柵的光譜特性以及外場響應(yīng)特性進行了系統(tǒng)的分析。系統(tǒng)地分析了啁啾化光纖光柵傳感的原理及關(guān)鍵技術(shù)。提出了啁啾化光纖光柵用于實現(xiàn)復(fù)合應(yīng)變場傳感的方法，傳輸矩陣分析方法不僅適合啁啾化光纖光柵用于普通函數(shù)應(yīng)變場傳感的分析，而且也適合用于復(fù)合函數(shù)應(yīng)變場傳感的分析，從而為啁啾化光纖光柵實現(xiàn)復(fù)雜函數(shù)應(yīng)變場傳感提供了科學(xué)的理論支持。3、設(shè)計了基于微錐度柱形懸臂梁的光纖光柵傳感機構(gòu)，并對該機構(gòu)用于FBG的啁啾化調(diào)諧進行了系統(tǒng)的理論分析
4、和實驗研究。當(dāng)把FBG粘貼到梁表面的不同位置的時候，可以獲得不同的啁啾化光纖光柵反射譜。當(dāng)FBG的初始粘貼位置從50mm變化到20mm時，整個啁啾化光柵的反射光譜趨向于三角譜。當(dāng)FBG的粘貼位置在50mrn---,66mm時，光柵的啁啾譜會出現(xiàn)明顯的分立的峰，各分立峰接近于高斯光譜。隨著應(yīng)力的增大，啁啾譜的帶寬明顯的展寬，并且摘要啁啾譜的帶寬和中心波長有規(guī)律的發(fā)生變化，和應(yīng)力有近似線性的調(diào)諧關(guān)系。4、提出并實驗驗證了基于復(fù)雜應(yīng)變函數(shù)調(diào)諧單一啁啾化光纖光柵中心波長和帶寬實現(xiàn)應(yīng)力和溫度同時測量的新方法。在10℃"-'600(2的溫度和
5、0N'--'8．918N的應(yīng)力測量范圍內(nèi)，溫度和應(yīng)力的測量結(jié)果基本上和實際結(jié)果一致。帶寬和中心波長對應(yīng)力的靈敏度分別為0．344nm／N和0．408nm／N，帶寬和中心波長對溫度的靈敏度分別為O和0．078nm／"C。5、提出并實驗驗證了利用復(fù)雜應(yīng)變函數(shù)調(diào)諧的單一啁啾化光纖光柵和光強差分探測方法實現(xiàn)溫度不敏感角度測量的新方法。在0"C-'-60"12的溫度范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)對角度的溫度不敏感測量。在0"-'900的角度測量范圍內(nèi)，隨著角度余弦的增大，歸一化光強相應(yīng)的減小，并且兩者成準(zhǔn)線性的變化關(guān)系，角度的余弦對歸一化光強的靈敏度可達
6、0．133．另外，實驗中我們發(fā)現(xiàn)對于不同的固定角度，隨著應(yīng)力的增大，光強相應(yīng)的減小，正好和基于線性啁啾化光柵的傳感器具有相反的變化規(guī)律。6、提出并實驗驗證了基于高雙折射光纖環(huán)鏡和等強度梁實現(xiàn)溫度和應(yīng)力同時測量的新方法。在40℃"8012的溫度和0．098N"-"1．078N的應(yīng)力測量范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)溫度和應(yīng)力的同時測量，溫度和應(yīng)力的測量誤差分別為1％和5％。實驗結(jié)果表明應(yīng)力和溫度的傳感靈敏度是FBG型傳感器的一個數(shù)量級。該方法具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，而且經(jīng)合理設(shè)計傳感信號可以直接光強探測。7、提出并實驗驗證了基于高雙折射光纖
7、環(huán)鏡和等強度梁實現(xiàn)液位連續(xù)性測量的新方法．在O～140ram的測量范圍內(nèi)，光強的透過率和液位的變化具有較好的線性關(guān)系，液位傳感的靈敏度為0．047／era，分辨率為10mm。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、低成本、重復(fù)性較好等優(yōu)點。傳感信號可以直接光強探測，不需要復(fù)雜的解調(diào)制設(shè)備。8、提出并實驗驗證了基于高雙折射光纖環(huán)鏡和磁制伸縮棒實現(xiàn)電流傳感測量的新方法。在磁制伸縮棒的線性工作區(qū)內(nèi)，當(dāng)電流在300mA"-1200mA的測量范圍內(nèi)變化時，光強的透過率和電流的變化具有較好的線性關(guān)系，電流的傳感靈敏度為0,0153／100mA，測量分
8、辨率可達10mA。與基于普通光纖的電流傳感器相比，該方法不存在由于法拉第效應(yīng)導(dǎo)致的光纖雙折射效應(yīng)的問題。相對于光柵類電流傳感器，該方法直接光強探測不需要復(fù)雜的解調(diào)制設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、低成本、重復(fù)性較好等優(yōu)點。9、提出并實驗驗證了基于高雙
