【摘要】：近年來(lái),隨著現(xiàn)代智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展,扭轉(zhuǎn)作為反映受監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和內(nèi)部損傷狀況的一個(gè)重要物理參數(shù),使得扭轉(zhuǎn)傳感器受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)傳感器主要由電學(xué)扭轉(zhuǎn)傳感器和磁學(xué)扭轉(zhuǎn)傳感器這兩大類組成。然而,前者易受外界環(huán)境中的電磁場(chǎng)和溫度變化的影響,后者制作復(fù)雜,體積龐大,不易安裝于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。相比之下,光纖扭轉(zhuǎn)傳感器作為一種新型的扭轉(zhuǎn)傳感器,能夠克服傳統(tǒng)扭轉(zhuǎn)傳感器的眾多缺點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。本文主要提出了三種新型高靈敏度光纖扭轉(zhuǎn)傳感器,并對(duì)這三種扭轉(zhuǎn)傳感器的扭轉(zhuǎn)傳感機(jī)理進(jìn)行了深入研究,同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究對(duì)其可行性進(jìn)行了論證。具體的研究成果如下:(1)使用飛秒激光器在單模光纖上制備出逐線相移布拉格光柵(PSFBG)。通過精準(zhǔn)控制兩個(gè)逐線均勻FBG之間的間距,成功刻寫出相移量分別為π/2、π和3π/2的四階PSFBG。在正交偏振態(tài)下,實(shí)驗(yàn)測(cè)得兩個(gè)π-PSFBG透射譜中透射窗口所在波長(zhǎng)的漂移量分別為210 pm,252 pm,其對(duì)應(yīng)的雙折射大小分別為2.0×10~(-4)和2.4×10~(-4)。飛秒逐線法能夠?qū)蝹�(gè)相移進(jìn)行控制,無(wú)需通過任何后期處理對(duì)相移進(jìn)行調(diào)整,可實(shí)現(xiàn)PSFBG的快速刻寫。(2)提出了一種基于飛秒逐線PSFBG的溫度和應(yīng)力無(wú)關(guān)的高靈敏度光纖扭轉(zhuǎn)傳感器。由于飛秒逐線PSFBG具有較大的雙折射,因此其透射諧振峰上可以觀察到明顯的偏振分裂現(xiàn)象。通過簡(jiǎn)單地監(jiān)測(cè)兩個(gè)偏振諧振峰透射強(qiáng)度差值的變化,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)扭轉(zhuǎn)角以及扭轉(zhuǎn)方向的同步解調(diào),同時(shí)消除溫度和應(yīng)力的串?dāng)_。這類扭轉(zhuǎn)傳感器的靈敏度高達(dá)1032.71 dB/(rad/mm),制造成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小僅為1.72 mm,這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于實(shí)際應(yīng)用極具吸引力。(3)提出了基于透射式和反射式Lyot濾波器的高靈敏度光纖扭轉(zhuǎn)傳感器�；趶�(qiáng)度調(diào)制,這兩種扭轉(zhuǎn)傳感器的扭轉(zhuǎn)靈敏度分別高達(dá)15.586 dB/rad,20.336 dB/rad。同時(shí),其對(duì)溫度和應(yīng)力均不敏感。此外,通過仿真分析,我們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,有力的證明了這類基于Lyot濾波器的扭轉(zhuǎn)傳感器的可行性。(4)提出了一種基于全光纖Sagnac干涉儀的高靈敏度扭轉(zhuǎn)傳感器。通過使用飛秒激光在光纖環(huán)內(nèi)的單模光纖包層內(nèi)刻寫一條平行于纖芯的直線波導(dǎo),導(dǎo)致單模光纖內(nèi)部應(yīng)力分布不對(duì)稱,從而在單模光纖內(nèi)部引入低雙折射,構(gòu)造出Sagnac干涉儀。這種Sagnac干涉儀僅由單模光纖構(gòu)成,內(nèi)部無(wú)熔接點(diǎn),因此制造成本低、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,同時(shí)具有極低的傳輸損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,我們所提出的這類扭轉(zhuǎn)傳感器的扭轉(zhuǎn)靈敏度高達(dá)3.2562 nm/degree,其扭轉(zhuǎn)分辨率高達(dá)0.003o。相比之下,其溫度和應(yīng)力串?dāng)_分別低至-0.000055 degree/oC,0.000013 degree/με,因此克服了溫度和應(yīng)力引入的串?dāng)_問題。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文式、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)纖將多個(gè)光纖傳感器連接起來(lái)進(jìn)行組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量；構(gòu)成，與光纖具有很好的兼容性，因此可直接通過光纖接入程監(jiān)測(cè)。上獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，研究人員對(duì)光纖傳感器進(jìn)行了大量的研究，相感器，并將其廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。隨著光纖與納米材料技術(shù)纖傳感器的類型將進(jìn)一步增多，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)得到進(jìn)一步的感器的原理及應(yīng)用傳感器的基本原理

通常是預(yù)先提取病人的血液，然后在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行化學(xué)檢測(cè)。這種檢測(cè)手段，，耗時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)還可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，目前迫切需要開發(fā)出一種低成本的測(cè)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)。光纖傳感器具有尺寸小、生物兼容性好、無(wú)毒、響應(yīng)速度快等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能滿足以上要求，因此可被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。由于光纖傳感器不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生反應(yīng)，可將其直接應(yīng)用于病人的體內(nèi)檢測(cè)，或者留置在病人體內(nèi)進(jìn)續(xù)的病情檢測(cè)。目前，光纖傳感器在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用在不斷拓展，從外常用的光纖內(nèi)窺鏡到臨床醫(yī)療診斷中血液和藥物的各種物理和化學(xué)參數(shù)的用到了光纖傳感器[36-40]。 光纖傳感器的分類1 光纖光柵型傳感器(1)長(zhǎng)周期光柵
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP212

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本文編號(hào)：2706338