基于光纤环镜和FBG温度应变同时测量的方法研究

摘要

在光纤传感领域，光纤环镜(FLM)和光纤光栅(FBG)均是应变敏感器件，但是，这两个器件都极易受外界温度的影响，即产生温度和应变的交叉敏感。因此，要使用这些敏感器件，首先要解决温度和应变的交叉敏感问题。
　　基于以上的背景，本文提出将光纤环镜与光纤光栅相结合，实现温度和应变的同时分辨，不但弥补了两敏感器件单独使用时的不足之处，而且实现了双参数同时输出。这一课题在智能建筑监测、海洋开发等场合具有很高的利用价值。本论文主要完成以下四个方面的工作:
　　(1)总结了光纤光栅、光纤环镜以及两者相结合使用时温度和应变同时测量方案，并比较了这些方案的优缺点，为本方案提供参考。
　　(2)研究了光纤光栅温度和应变特性，阐述了光纤光栅的增敏机理，并提出了一些增敏方案;建立了光纤环镜理论模型，并仿真了光纤环镜的温度特性;最后将两者结合，提出了本论文的方案并进行了可行性分析。
　　(3)依据理论设计，搭建了实验平台，在实验条件允许的温度和应变范围内标定出温度和应变的灵敏度系数，并与理论值进行了比对。
　　(4)为了能实时显示温度和应变值，本文将光谱仪与电脑通信，通过LabVIEW编写上位机软件，实时采集光谱仪的光谱数据，并提取携带被测量的有用信息，最后，计算出对应的温度和应变值并显示在上位机的前面板上。

目录

声明

摘要

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 光纤温度应变同时测量的研究现状

1．2．1 基于单个光纤光栅的温度应变同时测量

1．2．2 基于光纤环镜的温度应变同时测量

1．2．3 基于光纤传感的其它温度应变同时测量方法

1．3 光纤环镜解调光纤光栅

1．4 本论文的主要研究内容

第二章 光纤光栅传感原理

2．1 光纤光栅基本传感原理

2．2 光纤光栅的反射谱仿真

2．3 光纤光栅传感特性

2．3．1 光纤光栅的温度特性

2．3．2 光纤光栅的应变特性

2．4 光纤光栅交叉敏感

2．4．1 交叉敏感

2．4．2 解决方法

2．5 光纤光栅增敏方法

2．5．1 温度增敏技术

2．5．2 应变增敏技术

第三章 光纤环镜基本原理

3．1 光纤环镜基本模型

3．1．1 萨格纳克(Sagnac)干涉仪

3．1．2 光纤环镜

3．2 光纤环镜理论模型

3．2．1 偏振光的Jones矩阵分析

3．2．2 相关光学器件的Jones矩阵分析

3．2．3 光纤环镜透射谱

3．3 光纤环镜透射率数值仿真

3．3．1 偏振控制器对光纤环镜透射率影响

3．3．2 双折射光纤对光纤环镜透射率的影响

3．4 光纤环镜温度特性

3．5 光纤环镜线性滤波特性

第四章 温度和应变同时测量的方案设计

4．1 系统整体思路设计

4．1．1 系统结构图

4．1．2 双参数测量原理

4．2 传感器探头设计

4．2．1 光纤环镜的设计

4．2．2 光纤光栅的选择与封装

4．3 系统仿真

4．3．1 温度特性

4．3．2 应变特性

4．3．3 温度应变同时测量

4．4 解调系统设计

第五章 实验与信号提取

5．1 实验平台搭建

5．1．1 可控的温度和应变装置设计

5．1．2 光学器件的选择

5．1．3 敏感元件的制作和熔接

5．1．4 实验结果的分析

5．2 传感器的主要技术指标

5．2．1 分辨率标定

5．2．2 最大误差标定

5．3 软件解调

5．3．1 AQ6370光谱仪通信

5．3．2 LabVIEW程序

5．3．3 程序面板与使用说明

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文