基于荧光光纤光栅的应变与温度同时测试技术

摘要

光纤荧光传感器广泛应用于温度测量、浓度检测及pH值检测等领域，其传感参量包括荧光强度、荧光强度比和荧光寿命等。其中荧光寿命测量方法由于与泵浦光强度无关，又不需要昂贵的窄带滤波片，是一种非常有效的检测手段。　　本文使用了一种结合了光纤光栅与荧光光纤传感器优点的新型光子学器件——荧光光纤光栅进行温度及应变的同时测量。在理论及实践方面主要从事了以下几个方面的研究：　　(1)本文在讨论几种常见的光纤光栅传光理论的基础上，对荧光光纤光栅的传光理论进行了讨论，尤其对合一式荧光光纤光栅提出了一种新的理论分析方法——荧光叠代法，并给出了仿真结果。　　(2)本文在比较了各种光纤光栅制作方法的基础上，提出了采用连接荧光光纤与光纤光栅或采用在载氢荧光光纤上刻制光纤光栅的方法制作荧光光纤光栅的实验方案，并实际制作了几种不同结构的荧光光纤光栅用于温度及应变同时测量。　　(3)本文对荧光传感器的重要传感参量——荧光寿命的计算机拟合方法进行了讨论，并提出了一种速度快、精度高、不受本底信号干扰的新的拟合方法——快速傅里叶变换方法(FFT方法)，并与传统方法进行了比较。另外，为解决在实际测试中出现的荧光信号衰退问题，提出了一种信号补偿的方案。为辅助这种方法，采用了一种加权对数拟合法来代替非线性拟合的标准方法——Levenburg-Marquardt方法，该方法速度高，稳定性好。　　(4)本文设计了一套实验测试系统，利用几种不同结构、不同掺杂情况的荧光光纤光栅对温度及应变进行了同时测试，并利用测试结果构造了线性及非线性拟合方程，分析了不同拟合方程、不同温度范围下测试结果的标准偏差。测试结果表明，利用荧光光纤光栅这种新的光纤传感元件可以实现对温度及应变进行同时测量。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1光纤光栅的诞生

1.2光纤光栅传感器的应用领域

1.2.1光纤光栅传感器在应变检测中的应用

1.2.2光纤光栅传感器在温度测量领域中的应用

1.2.3光纤光栅传感器在其它领域中的应用

1.3光纤光栅应变、温度同时检测技术研究现状

1.3.1利用双布拉格光纤光栅测量系统进行变量分离

1.3.2长短光纤光栅组合系统实现变量分离

1.4荧光传感器研究现状

1.5荧光光纤光栅的传感应用

第2章光纤光栅传光及传感理论

2.1光纤光栅种类

2.2布拉格光纤光栅

2.3长周期光纤光栅

2.4啁啾光纤光栅

2.5切趾光纤光栅

2.6荧光光纤光栅

2.6.1级连式荧光光纤光栅光谱分析

2.6.2间互式荧光光纤光栅光谱分析

2.6.3合一式荧光光纤光栅光谱分析

2.7光纤光栅对温度及应变响应分析

2.7.1光纤光栅温度响应

2.7.2光纤光栅应变响应

2.8本章小结

第3章各种光纤光栅制作方法比较及荧光光纤光栅制作研究

3.1光纤光栅制作方法综述

3.1.1光敏光纤的制备

3.1.2制作光纤光栅所用的光源

3.1.3布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating)的制作

3.1.4长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating)的制作

3.1.5啁啾光纤光栅(Chirped Fiber Grating)的制作

3.1.6切趾光纤光栅(Apodized FBG)的制作

3.2荧光光纤光栅的制作

3.2.1荧光光纤光栅的制作系统及设计方案

3.2.2荧光光纤光栅耐温测试及退火处理

3.2.3荧光光纤光栅测试样品及对应光谱特性

3.3本章小结

第4章荧光寿命的测量方法研究

4.1荧光温度测量系统及其应用领域

4.2荧光寿命测试方法研究现状

4.3荧光寿命的快速傅里叶变换(FFT)拟合法

4.3.1拟合理论

4.3.2随机误差的影响

4.3.3本底信号的影响

4.4荧光衰减曲线修正方法研究

4.4.1荧光衰减曲线修正的必要性

4.4.2荧光衰减曲线修正方法

4.5加权对数(Weighted log-fit)拟合方法

4.5.1拟合理论

4.5.2计算机仿真、实验与结果

4.6本章小结

第5章荧光光纤光栅用于温度应变同时测量

5.1实验测量系统

5.2测试样品及光谱

5.3荧光光纤光栅温度、应变同时测量原理

5.4实验数据及分析

5.4.1样品1的测试结果

5.4.2样品2的测试结果

5.4.3样品3的测试结果

5.4.4样品4的测试结果

5.4.5测量数据汇总及实验偏差的分析

5.4.6荧光光纤光栅测试系统有效性说明

5.5本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及被检索情况清单(2001-2005)

致谢

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