基于多芯結(jié)構(gòu)的光纖傳感器研究.pdf

1、對(duì)與許多結(jié)構(gòu)物，由于在載荷的作用下會(huì)發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，有時(shí)還伴隨著溫度熱膨脹帶來的影響。“智能結(jié)構(gòu)”可主動(dòng)矯正或補(bǔ)償這些彎曲或扭轉(zhuǎn)，因而常常需要測(cè)量或監(jiān)測(cè)這些連續(xù)結(jié)構(gòu)的彎曲形變和扭轉(zhuǎn)。在連續(xù)結(jié)構(gòu)物中，結(jié)構(gòu)梁的變化通常是由于彎曲和扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，這樣就需要對(duì)彎曲和扭轉(zhuǎn)進(jìn)行優(yōu)化組合測(cè)量。常規(guī)的做法是借助于梁的上下兩個(gè)應(yīng)變片就可以測(cè)量彎曲，這是電子學(xué)采用的測(cè)量方法。這些傳感器既可以表面粘貼，也可以埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。 一方面，這種結(jié)構(gòu)物需要進(jìn)行

2、彎曲形變、扭轉(zhuǎn)和溫度梯度等多參數(shù)測(cè)量。另一方面，一段四芯光纖的遠(yuǎn)場(chǎng)干涉圖會(huì)對(duì)彎曲形變、扭轉(zhuǎn)和溫度梯度這些參量變化給出響應(yīng)。本工作的目的就是建立起二者的聯(lián)系。四芯光纖作為四光束單根光纖干涉儀可以自動(dòng)補(bǔ)償由于溫度熱膨脹所帶來的影響，僅對(duì)絕對(duì)彎曲、扭轉(zhuǎn)和溫度梯度敏感。從而導(dǎo)致遠(yuǎn)端干涉光場(chǎng)格子圖的移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。 本文在國外多芯光纖領(lǐng)域的研究成果的基礎(chǔ)上，深入研究了多芯光纖的結(jié)構(gòu)和特性，以及在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，提出了用多芯光纖構(gòu)造多種傳感系

3、統(tǒng)的設(shè)想。自行設(shè)計(jì)并研制了三種基于新型多芯光纖的傳感器，通過大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量，獲得了這三種傳感單元的技術(shù)參數(shù)。從多芯光纖的出射光場(chǎng)干涉圖入手，建立了理論模型，分析了每個(gè)傳感單元的特性，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了理論模型的正確性。 本文的主要工作包括：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了幾種新型多芯光纖，對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量；開展了多芯光纖遠(yuǎn)場(chǎng)干涉特性的研究；進(jìn)行了多芯光纖溫度梯度傳感器的理論與實(shí)驗(yàn)研究；建立了多芯光纖彎曲與應(yīng)變傳感器的理論模型并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。討

4、論了多芯光纖扭轉(zhuǎn)傳感器的可能方案，進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)量與分析。研究結(jié)果表明，多芯光纖溫度梯度傳感系統(tǒng)能夠完成對(duì)溫度變化的監(jiān)測(cè)；彎曲與應(yīng)變傳感系統(tǒng)能完成對(duì)物體受壓力等外力作用下的形變程度的測(cè)量；在90度測(cè)量范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)傳感系統(tǒng)在完成對(duì)旋轉(zhuǎn)角度大小測(cè)量的同時(shí)，還具有辨別旋轉(zhuǎn)方向的功能。通過二芯光纖和四芯光纖的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，二芯光纖的出射光場(chǎng)干涉圖案是條紋，對(duì)于扭轉(zhuǎn)傳感測(cè)量更加方便，四芯光纖的出射光場(chǎng)干涉圖是有規(guī)律排列的正方形網(wǎng)格，方便于彎曲與應(yīng)變