多芯光纤光栅的特性及其在光纤传感方面应用的研究

摘要

随着对光纤光栅特性及优点的不断深入研究，光纤光栅不断被应用于光纤传感和光纤通信领域，成功吸引了国内外学者的眼球。光纤光栅传感器采用波长编码，抗电磁干扰，可复用性强，且体积小，重量轻，适用于各种应用场合。本文的主要工作是基于多芯光纤旁轴芯子光栅的弯曲敏感特性，设计七芯光纤光栅位移传感器、七芯光纤光栅静力水准仪、以及双芯光纤光栅加速度传感器。
　　本文首先对双芯光纤和七芯光纤的模场特性及双折射效应进行仿真分析，接着对多芯光纤光栅的弯曲敏感特性进行理论分析。由于多芯光纤的旁轴芯子不在中性轴上，故弯曲会改变旁轴芯子光栅的中心波长。实验中所使用的双芯光纤光栅对弯曲曲率的灵敏度为3.37×10-3/cm-1，七芯光纤光栅对弯曲曲率的灵敏度为2.705×10-3/cm-1。
　　利用七芯光纤旁轴芯子光栅的弯曲敏感特性制作‘Ω’形位移传感器，实验获得系统的线性灵敏度为0.395nm/mm。利用‘Ω’形线位移传感器原理设计静力水准仪，实验得到旁轴芯子光栅的中心波长漂移量与水位变化量之间的关系为1.8017nm/mm，可测量水位精度为1μm，比现在市场上静力水准仪的精度0.01mm提高1个量级。
　　基于双芯光纤光栅弯曲特性，设计了一种新型的光纤光栅加速度传感器，并分别从理论和实验上对其进行分析和测量。理论分析得到基于双芯光纤光栅的加速度传感器的灵敏度为0.2995nm/g，谐振频率为10.2Hz。实验数据表明传感器的测量灵敏度为0.314nm/g，谐振频率为9.7Hz，故此传感器可用来测量幅值小，频率低的加速度信号。此外，还利用微悬臂梁理论分析了末端空载的双芯光纤光栅加速度传感器，理论分析求得谐振频率为157.31Hz，而实验测得的谐振频率为164Hz，两者大致相等，与末端黏贴重物的传感器相比，谐振频率得到了提高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 光纤光栅发展概况

1．2 光纤光栅的基本分类

1．3 光纤Bragg光栅的理论分析

1．3．1 光纤Bragg光栅耦合模方程

1．3．2 光纤Bragg光栅传输矩阵分析

1．3．3 光纤Bragg光栅的传感原理

1．4 光纤光栅传感应用存在的问题

1．5 本文主要研究工作及创新点

第2章 多芯光纤及Bragg光栅的传输特性研究

2．1 多芯光纤及其Bragg光栅研究现状

2．1．1 多芯光纤国内外发展现状

2．1．2 多芯光纤Bragg光栅研究现状

2．2 双芯光纤的基本特性

2．2．1 双芯光纤简介

2．2．2 双芯光纤模场特性研究

2．2．3 双芯光纤的双折射

2．3 七芯光纤的基本特性

2．3．1 七芯光纤简介

2．3．2 七芯光纤模场特性研究

2．3．3 七芯光纤的双折射

2．4 多芯光纤Bragg光栅的弯曲敏感特性

2．4．1 理论分析

2．4．2 实验结果

2．5 本章小结

第3章 多芯光纤光栅传感器的实验研究

3．1 多芯光纤与SMF的熔接

3．2 多芯光纤Bragg光栅温度补偿特性

3．3 多芯光纤光栅线位移传感器

3．3．1 理论分析

3．3．2 实验数据分析

3．4 本章小结

第4章 采用七芯光纤光栅静力水准仪的实验分析

4．1 光纤静力水准系统研究背景

4．2 静力水准仪理论分析

4．3 七芯光纤光栅静力水准仪结构设计及理论分析

4．4 七芯光纤光栅静力水准仪实验数据分析

4．5 本章小结

第5章 采用双芯光纤光栅的加速度传感器实验分析

5．1 光纤加速度传感器概况

5．2 加速度传感器的一般模型

5．3 悬臂梁式光纤加速度传感器分析

5．3．1 悬臂梁上的应力与应变

5．3．2 等强度梁的计算

5．3．3 等截面粱的计算

5．4 基于双芯光纤光栅的加速度传感器

5．4．1 实验系统

5．4．2 悬臂梁模型理论分析

5．4．3 微悬臂梁模型理论分析

5．4．4 实验数据及分析

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文主要内容及创新点

6．2 现状及展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢