發(fā)布時間：2021-09-02 11:04

　　在建筑結(jié)構(gòu)健康檢測、航空航天、周界安防、石油勘探工業(yè)等諸多領(lǐng)域中,實(shí)時準(zhǔn)確地獲取應(yīng)變、振動信號等信息有著十分重要的意義。光纖光柵傳感器憑借其優(yōu)越的應(yīng)變靈敏度響應(yīng)、結(jié)構(gòu)緊湊、耐腐蝕、抗電磁干擾等特點(diǎn),在以上傳感應(yīng)用領(lǐng)域中頗受關(guān)注。但是傳統(tǒng)的光纖布拉格光柵（Fiber Bragg grating,FBG）、長周期光纖光柵（Long period fiber grating,LPFG）由于傳感器自身的固有傳感限制和波長解調(diào)的交叉靈敏性,限制了其靈敏度的提升和矢量性檢測中的應(yīng)用。本論文的研究中,在課題組之前對極大傾角光纖光柵（Excessively tilted fiber grating,ExTFG）等強(qiáng)度懸臂梁振動傳感研究的基礎(chǔ)上,提出ExTFG振動傳感器的性能優(yōu)化方法,包括細(xì)直徑ExTFG和包層腐蝕型ExTFG的振動傳感器性能研究,然后進(jìn)一步對傳感器彎曲矢量特性和矢量振動傳感性能做了深入的研究。具體研究內(nèi)容包括:1.介紹了ExTFG的基本結(jié)構(gòu)和推導(dǎo)了其模式耦合理論,并詳細(xì)地分析了ExTFG的纖芯、包層模式有效折射率等光譜特性,然后研究ExTFG的SRI、應(yīng)變、彎曲及振動傳感特性。2.研究... 

【文章來源】：重慶理工大學(xué)重慶市

【文章頁數(shù)】：79 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

（a）錯位熔接型TFBG加速度計[112]和（b）熔融拉錐型TFBG加速度計[113]

1緒論7前端進(jìn)行微偏移的錯位熔接，使得反射的低階包層模耦合到纖芯進(jìn)行傳播，其結(jié)構(gòu)如圖1-1（a）所示，進(jìn)而完成了頻率響應(yīng)高達(dá)2KHz溫度免疫的振動功率檢測。整個傳感器的可以小到10mm，但對于振動加速度的響應(yīng)靈敏度并未提及。次年，他們團(tuán)隊(duì)[113]再次通過電弧放電的形式在TFBG的反射后端距離柵區(qū)約5mm處制作了一個錐形結(jié)構(gòu)，把部分包層模式重新耦合到纖芯傳播，其結(jié)構(gòu)如圖1-1（b）所示。整個傳感器的大小為40mm且封裝套管是可調(diào)諧的，在頻率從直流（DC）增加到250Hz時，傳感器的非共振響應(yīng)減校在共振頻率為51Hz時的響應(yīng)靈敏度僅為120nW/G。2012年，GuoT等[114]利用多模光纖中刻寫的TFBG與單模光纖拼接，實(shí)現(xiàn)了對振動信號的定向檢測。圖1-2準(zhǔn)分布式FBG振動傳感原理圖[115]。2013年，LinzeN等[115]提出了一種基于光的偏振特性的新型準(zhǔn)分布式FBG振動傳感器，實(shí)驗(yàn)原理如圖1-2所示。其原理依賴于機(jī)械換能器與FBG的結(jié)合。當(dāng)受到振動時，機(jī)械換能器會在光纖內(nèi)引起雙折射變化，進(jìn)而改變偏振狀態(tài)，該偏振狀態(tài)在通過偏振器后表現(xiàn)為功率變化。FBG反射來自傳感光纖不同位置的光，并提供波長復(fù)用。2014年，LiuQ等[116]提出了一種基于雙隔膜的FBG加速度計，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其加速度傳感系統(tǒng)如圖1-3所示，其中FBG加速度計由FBG傳感器和兩個彈性材料封裝構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)BG加速度計提供了50~800Hz的寬平頻率范圍，相應(yīng)平坦區(qū)域的靈敏度范圍為23.8~45.9pm/G，動態(tài)分辨率可達(dá)0.385mg/√Hz，動態(tài)范圍為80dB。

重慶理工大學(xué)碩士學(xué)位論文8圖1-3基于雙隔膜的FBG加速度傳感系統(tǒng)[116]。圖1-4特殊TCF-FBG加速度傳感系統(tǒng)[117]。同一年，RongQ等[117]提出了一種基于光纖包層光柵刻寫的定向敏感光纖加速度計。傳感器探頭有一個緊湊的結(jié)構(gòu)，其中包含一個光纖包層布拉格光柵(FBG)的一小段薄芯光纖(Thin-corefiber,TCF)被沒有任何橫向偏移的拼接到另一個標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF)上。由于包層FBG沿光纖截面的不對稱分布，其透射光譜具有兩個清晰的FBG反射共振，表現(xiàn)出很強(qiáng)的極化和彎曲依賴性。其特殊TCF-FBG加速度傳感系統(tǒng)如圖1-4所示，由可調(diào)諧激光光源輸入的光信號經(jīng)過環(huán)形器到達(dá)傳感測試光纖，然后通過對包層共振的功率檢測，實(shí)現(xiàn)了振動（加速度）測量的強(qiáng)取向依賴性。同時，通過監(jiān)測纖芯基模的FBG共振，可以排除不必要的功率波動和溫度擾動的影響。圖1-5（a）DCF-TFBG加速度計示意圖和（b）DCF折射率分布圖[118]。2017年，CaiS等[118]提出并實(shí)驗(yàn)證明了一種緊湊的光纖光柵振動傳感器，其中傾斜的布拉格光柵刻寫在凹陷包層光纖（depressedcladdingfiber，DCF）的纖芯中，其結(jié)構(gòu)如圖1-5（a）所示，利用SMF與DCF的正常拼接使得反射共振再次耦合進(jìn)入纖

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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[5]基于多層石墨烯材料的光纖聲波傳感器[J]. 李晨,陸雪琪,庾財斌,吳繁,吳宇.  光學(xué)學(xué)報. 2018(03)
[6]等離子體共振光纖光柵生物傳感器綜述[J]. 郭團(tuán).  光學(xué)學(xué)報. 2018(03)
[7]強(qiáng)度解調(diào)的光纖光柵振動檢測硬件電路設(shè)計與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 張法業(yè),姜明順,隋青美,曹玉強(qiáng),徐偉,劉曉慧,耿湘宜.  傳感技術(shù)學(xué)報. 2015(12)
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博士論文
[1]基于半導(dǎo)體激光自混合干涉的振動測量研究與應(yīng)用[D]. 黃貞.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2014
[2]光學(xué)干涉計量用于振動測量的算法和實(shí)驗(yàn)研究[D]. 楊翀.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2012

碩士論文
[1]FBG振動傳感器的研究[D]. 王善鯉.西北大學(xué) 2010
[2]基于光纖傳感技術(shù)的振動解調(diào)系統(tǒng)及其應(yīng)用[D]. 姜曰科.山東大學(xué) 2009
[3]光纖布拉格光柵振動傳感技術(shù)研究[D]. 周雪芳.武漢理工大學(xué) 2003



本文編號：3378894