光纖光柵非均勻應變及溫度場傳感研究.pdf

1、光纖光柵(fiber grating)作為一種結構新穎、性能優(yōu)異的光無源器件，因其具有諸多獨特的光學性質，使其在光通信和光傳感領域具有非常廣泛的應用前景。其中，光纖光柵在傳感應用領域以其靈敏度高、動態(tài)范圍寬、可靠性好、抗電磁干擾能力強、質輕體小、便攜靈便及易于構建傳感網(wǎng)絡等特點，受到各國研究者的極大關注。本文主要闡述作者三年來在光纖光柵傳感方面的有關工作及研究成果。
　　 本文內容源于國家科技部863計劃課題、國家973計劃項目

2、子課題、國家自然科學基金、南開大學科技創(chuàng)新基金等，在繼承前人的基礎上，系統(tǒng)研究了均勻與非均勻應變、溫度場作用下的光纖光柵基本特性及其傳感理論，并利用光纖光柵波長或譜形(帶寬)編碼技術，研制出新型光纖光柵波長與帶寬調諧器件以及高靈敏度壓強、流速傳感器件，在理論、實驗方面取得了一些創(chuàng)新性研究成果。全文共分五章，具體如下：
　　 第一章：簡要介紹了光纖光柵的發(fā)展歷程及研究意義。概述了當前光纖光柵的制作技術、分析了它們的各自特點，闡述了

3、光纖光柵在光傳感及光通信領域的典型應用。詳細分析了光纖光柵非均勻應變、溫度場傳感的研究現(xiàn)狀。
　　 第二章：從麥克斯韋方程出發(fā)，詳細推導了光纖光柵耦合模理論，細致分析了光纖布拉格光柵以及長周期光纖光柵的光學特性。概述了光纖光柵傳輸矩陣法、傅氏變換法及多層膜傳輸法，并闡釋了它們的各自特點。
　　 第三章：系統(tǒng)研究了均勻應變、溫度場作用下的光纖光柵傳感特性，概述了典型的光纖光柵應變-溫度交叉敏感解決方案。詳細分析了橫向應變作

4、用下的光纖光柵譜形特性。簡要介紹了典型的光纖光柵中心波長調諧技術，并詳細研究了基于自行提出的開口環(huán)結構的新型光纖光柵波長調諧機構，理論推導了波長調諧數(shù)學關系式，實驗獲得該機構的波長調諧靈敏度為3.18nm/N。
　　 第四章：利用傳輸矩陣法首次系統(tǒng)研究了非均勻應變、溫度場作用下的光纖光柵光學特性。提出一種新穎的基于開口環(huán)結構的光纖光柵帶寬線性調諧裝置，理論推導了帶寬調諧數(shù)學關系式，實驗獲得該裝置的帶寬調諧靈敏度為0.34nm/N

5、。利用步進電機及相關驅動電路、控制軟件，研制出新穎的光纖光柵帶寬可控調諧裝置。
　　 第五章：根據(jù)光纖光柵波長及帶寬調諧原理，設計并研制出兩種高靈敏度光纖光柵壓強傳感器，其中最高壓強傳感靈敏度高達7.2MPa-1，據(jù)相關文獻檢索，該壓強靈敏度是目前報道的最高值。基于高靈敏度光纖光柵壓強傳感器，我們首次提出并實現(xiàn)了一種基于光纖光柵的高靈敏度差壓式流速傳感器，其動態(tài)感測范圍約為51～147mm/s，分辨率優(yōu)于3mm/s。