基于光纤光栅的倾斜传感器与波长解调技术的研究

摘要

光纤光栅是性能优良的敏感元件，具有损耗低、可复用、抗电磁干扰等优点。采用光纤光栅的倾斜传感器可以克服现有电子式倾斜传感器存在的不足。人部分采用光纤光栅的传感器是基于波长编码的，实现波长的精确解调是应用成功的关键。因此研究基于光纤光栅的倾斜传感器及高精度的波长解调技术具有重要意义。
　　本文主要的研究内容可分为以下三个方面:
　　一、在光纤光栅传感原理和基本特性的基础上，将力学中的杠杆结构与传感领域中常用的等强度悬臂梁相结合，采用了一种灵敏度可调、能够克服温度交叉敏感的光纤光栅倾斜传感器。理论分析表明传感器的灵敏度跟重物的质量和杠杆两臂的大小有关，当三者满足L1/L22=K/Mg关系时可达到最佳灵敏度。
　　二、根据理论分析和实际应用需要制作了所提出的倾斜传感器，并在实验室条件下做了标定实验。测量结果显示该倾斜传感器具有良好的线性度，若解调设备的分辨率为1pm，则该倾斜传感器的分辨率约为0.0008°，相比现有的倾斜传感器高一个数量级。测量范围为-4°-4°，可重复性高，稳定性好，满足土木工程中基坑测斜的要求。与传统电子式基坑测斜仪测量结果较为一致，验证了其可行性。另外利用该倾斜传感器的复用性可以实现地基基础变形的实时、在线、准分布式监测，大大节约了劳动力，有效降低测量成本。
　　三、通过在锯齿波上叠加高频正弦波对F-P滤波器进行调制，理论仿真了光栅在滤波器波长扫描作用下的反射输出波形，结果表明通过判断光栅反射谱峰值两侧的电压差值可以精确地确定中心波长所在，相比传统判断峰值功率的方法更为精确。当F-P滤波器输出为光栅中心波长时，在最佳调制幅值作用下可以扫描到光栅反射谱峰值两侧斜率最大的位置，因而放大了电压变化量，其大小是同等条件下不加正弦波调制方法的10倍左右，采用此解调方法的倾斜传感器灵敏度可以提高20倍左右，有效提升了对于光栅中心波长处微小波长漂移量检测的灵敏度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 光纤光栅的发展历史

1．2 光纤光栅的基本理论

1．2．1 光纤光栅的分类

1．2．2 光纤光栅的制作

1．2．3 光纤Bragg光栅的理论基础

1．3 光纤Bragg光栅的基本特性

1．4 光纤光栅的应用

1．4．1 光纤Bragg光栅在传感领域的应用

1．4．2 光纤Bragg光栅在通信中的应用

1．5 本文主要研究内容及创新点

第2章 基于杠杆结构FBG倾斜传感器的基本原理与分析

2．1 光纤倾斜传感器研究的目的和意义

2．2 光纤倾斜传感器的国内外研究现状

2．3 FBG倾斜传感器设计的理论依据

2．3．1 悬臂梁模型

2．3．2 应变-温度交叉敏感解决方案

2．4 FBG倾斜传感器的结构设计与优化分析

2．4．1 传感器结构设计

2．4．2 倾斜测量原理与优化分析

2．5 本章小结

第3章 FBG倾斜传感器的实验分析与现场测试

3．1 FBG倾斜传感器的制作

3．2 实验结果与分析

3．3 FBG倾斜传感器在基坑测斜中的应用

3．3．1 检测背景

3．3．2 测量原理

3．3．3 测量结果

3．4 本章小结

第4章 高精度FBG波长解调技术的研究和分析

4．1 研究背景

4．2 FBG波长解调技术

4．2．1 边缘滤波法

4．2．2 可调谐滤波器法

4．2．3 干涉扫描法

4．2．4 扫描激光法

4．2．5 CCD检测空间光谱法

4．3 法布里-珀罗滤波器

4．4 基于可调谐F-P滤波器的波长解调技术

4．4．1 系统组成

4．4．2 解调原理

4．4．3 实验结果

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 现状及展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文