光学低相干反射技术在FBG检测中的应用研究

摘要

FBG（Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅）是现代光纤传感领域最常见的光学元件之一，目前被广泛应用于大型建筑的结构健康监测等领域。通常利用FBG的反射谱中心波长（Bragg波长）变化与应变等外界物理量的变化呈线性相关的特性实现传感，主要检测方法有反射谱法、滤波器法和干涉法等。光学低相干反射技术（OLCR，Optical Low Coherence Reflectometry）是一种新型的光学检测技术，可进行FBG反射谱的检测，实现FBG的传感解调，尤其当待测物理量较为复杂时，如受非均匀应变时，可进一步结合剥层算法等重构方法，解算FBG非均匀应变分布。可见，OLCR技术为FBG检测提供了重要的研究手段，本文以此为研究对象，主要研究工作如下：
　　首先，总结分析了FBG传感解调技术研究现状及OLCR技术在FBG检测中的应用，明确了课题研究内容和目标；基于光传输理论，对FBG传感原理进行研究，并建立了FBG的应变传感模型；给出了FBG应变解调和重构的原理和方法。
　　接着，基于OLCR工作原理，详细阐述了OLCR应用于FBG检测的方法，尤其是结合剥层算法实现非均匀应变检测的方法；设计并构建了一套用于FBG检测的OLCR-FBG动态扫描检测系统，采用平衡探测结构和高精度气浮平移台等改进OLCR系统性能；详细给出了系统硬件模块，自行开发了基于LabVIEW的系统软件控制程序和数据处理算法，实现人机交互界面良好。
　　然后，对OLCR-FBG检测系统进行性能测试，实验获取平衡和非平衡探测结构下、步进平移台和气浮平移台的系统干涉信号，结果表明采用平衡探测结构的信号在被放大的同时，噪声也得到很好的抑制，高精度气浮平移台削弱了振动的影响，保证了数据的可靠性；设计制作了悬臂梁调谐机构用于FBG应变测试以验证系统，等强度梁调谐FBG均匀应变测试实验，获得良好的反射光谱，Bragg波长重复性小于10pm，均匀应变检测的最大误差小于20uε，矩形梁调谐FBG非均匀应变测试实验，获得了不同线性应力与FBG反射谱间的关系，结果表明初步实现的FBG非均匀应变重构，其分布趋势基本正确。

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1 绪论

1.1 课题研究背景、目的和意义

1.2 FBG传感解调技术研究现状

1.3 光学低相干反射技术发展应用现状

1.4 本文主要研究内容和安排

2 FBG基本原理分析

2.1 FBG光传输原理

2.2 FBG传感模型及模拟分析

2.3 FBG解调和重构原理

2.4 本章小结

3 基于OLCR的FBG检测系统原理

3.1 OLCR-FBG检测系统基本原理

3.2 FBG检测方法

3.3 本章小结

4 基于OLCR的FBG动态扫描检测系统设计

4.1 总体结构设计

4.2 系统硬件

4.3 系统软件

4.4 本章小结

5 实验与结果分析

5.1 实验装置设计

5.2 系统性能测试与分析

5.3 FBG反射谱测试与分析

5.4 FBG应变测量与分析

5.5 误差源分析

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 本论文创新点

6.3 展望

参考文献

附录A FBG应变实验数据

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