对同轴电缆布拉格电栅传感特性的研究

摘要

目前,光纤光栅传感器被广泛应用于结构健康监测系统中。然而现有的光纤光栅传感器在实际应用中仍存在许多问题。本文采用同轴电缆作为传感媒介,借助同轴光子晶体的结构方式和光纤布拉格光栅的原理,提出了同轴电缆布拉格电栅这一概念。同轴电缆布拉格电栅内传播的电磁波,经过周期性阻抗不连续结构发生反射,其特性相似于光纤布拉格光栅,然而相比光纤光栅,电栅具有更大的尺寸、可以承受更大张力的特点,弥补了光纤光栅易碎、可测应变小的缺点。
　　同轴电缆布拉格电栅,是一种光纤布拉格光栅的特性与概念实现于同轴电缆的新型器件,它具有类似于光栅的传输和反射特性,同时更是具有光纤所没有的承受大应变能力,在大应变传感的领域中有望占有一席之地。然而,国内外鲜有针对电栅系统的理论研究和仿真。首先,通过传输线和模式耦合理论对电栅基本原理进行了阐述,研究了电栅效应的机理。最后,介绍了同轴电缆布拉格电栅的基本结构,并采用传输线理论对电栅的反射系数进行了推导。
　　进一步使用了Ansoft HFSS电磁仿真软件对电栅进行了建模和仿真,比较了仿真结果与分析结果的异同。Ansoft HFSS以有限元分析法作为其数值求解电磁场的基础,凭借友好简洁的设计界面、强大的分析性能和后处理器,可以对任意形状的三维结构进行电磁场分析。在仿真过程中,先后进行了不同周期数、不同周期长度、不同钻孔条件等情况下的仿真;对电栅特性进行了参数优化,减小了线宽,提高了传感精度。
　　最后,通过实验室制作电栅,搭建系统实验,最终的实验结果与仿真结果进行了对比,对比结果谱频率特性基本一致,表明可以以仿真结果作为参考,对电栅特性进行参数优化。同轴电缆布拉格电栅在大应变传感方向有很好的应用前景。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2研究基础

1.3 本文主要工作和创新点

第二章 同轴电缆布拉格电栅基本原理

2.1电栅的结构形式

2.2传输线理论

2.3模式耦合理论

2.4本章小结

第三章 同轴电缆布拉格电栅仿真分析

3. 1仿真原理

3.2同轴电缆布拉格电栅仿真建模

3.3同轴电缆布拉格电栅仿真结果分析

3.4 计算式验证

3.5本章小结

第四章 同轴电缆布拉格电栅系统实验

4.1系统组成

4.2 频率源子系统

4.3 其他子系统

4.4系统实验分析

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

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