工程化光纖光柵傳感系統(tǒng)的設計與應用研究.pdf

1、光纖光柵(fiber grating)作為一種新型的光無源器件，因其具有諸多獨特的光學性質(zhì)，使其在光通信和光傳感領域有著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)范圍大、長期可靠性好、抗外界干擾能力強、體積小、便于組成傳感網(wǎng)絡等特點，受到各國研究者的極大關注。尤其是近年來，有關光纖光柵的研究工作取得了很大突破。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前應變、應力、壓力、溫度、位移、加速度等光纖光柵傳感器已開始應用于橋梁、大壩、混凝土

2、結構和鋼結構建筑的施工檢測，并在其運營的長期健康監(jiān)測中得到了實際應用。此外，光纖光柵傳感器在石化和電力的溫度監(jiān)測中也得到了實際應用。隨著光纖光柵傳感技術的不斷發(fā)展與完善，光纖光柵傳感器及其傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)會獲得更廣泛的應用。 本論文的主要研究內(nèi)容來源于國家科技部863計劃課題資助項目、天津市重點科技攻關項目以及上海市科技項目，以解決布拉格光纖光柵傳感技術在實際工程應用中的關鍵問題為研究重點，通過對光纖光柵傳感理論和應用技術的研究，結合工程

3、應用的具體要求對傳感用布拉格光纖光柵的制作方法、工程化傳感器研制、信號解調(diào)技術的開發(fā)進行了理論、實驗和應用研究，取得了創(chuàng)新性研究成果。全文共分六章，主要內(nèi)容包括： 第1章：比較系統(tǒng)地總結了光纖光柵技術原理、分類、應用以及發(fā)展狀況和趨勢，以布拉格光纖光柵為敏感基元，對其傳感原理和傳感理論的最新發(fā)展進行了分析和闡述。 第2章：系統(tǒng)闡述了光纖光柵三種理論分析方法：耦合模理論、傳輸矩陣法和傅氏變換法，對三種分析方法的內(nèi)容和特點進行了較為全

4、面的總結。對均勻光纖光柵、長周期光纖光柵、啁啾光纖光柵、Tapered光纖光柵、Morie光纖光柵、Blazed光纖光柵、相移光柵、超結構光柵等幾種典型的光纖光柵的折射率分布特點、反射譜特性進行了模擬和分析。 第3章：結合光纖光柵制作基本方法，系統(tǒng)研究了達到產(chǎn)品化性能要求的布拉格光柵制作的關鍵技術：如光纖的預處理技術、波長控制技術、切趾技術等。采用關鍵技術，傳感用光纖光柵波長的最大拉伸量達到10nm；自行開發(fā)出一種新穎的調(diào)諧機構，使

5、光纖光柵波長調(diào)諧范圍達到40nm，該成果處于國際領先水平；使用自行開發(fā)的切趾技術，寫制的啁啾光柵時延抖動以達到10pcs，以之為基礎元件生產(chǎn)的光纖光柵色散補償器，其性能指標處于國內(nèi)領先水平。第4章：以實用化、可靠性為目標，從工程適應性對傳感器的要求出發(fā)，系統(tǒng)研究了光纖光柵傳感器的結構設計、材料選擇和工藝手段等，詳細介紹了光纖光柵鋼筋計、光纖光柵埋入式傳感器、光纖光柵溫度傳感器等幾種典型的工程化光纖光柵傳感器的設計思想、制作方法和工程應用

6、。開發(fā)出的光纖光柵鋼筋計、應變傳感器在-25～+60℃溫度范圍內(nèi)，量程范圍在-1000～+1000 μe；分辨力達到<0.1％ES；重復性為1％ES。溫度傳感器量程在-30℃～+120~C工作環(huán)境中；分辨率達到0.1℃；精度達到±1.0℃；重復性達到±1.0℃。性能測試結果表明：上述光纖光柵傳感器的設計達到要求，能夠滿足工程化要求。 第5章：根據(jù)光纖光柵解調(diào)技術的特點并結合工程化要求，提出并設計了基于F-P濾波器和雙DSP結構的

7、光纖光柵解調(diào)儀方案，詳細介紹了該解調(diào)儀的設計思想、制作方法和工程應用。一種解調(diào)儀達到10個通道可以同時以100 Hz速率掃描在40nm波長范圍內(nèi)掃描，分辨率達到1pm。 第6章：構建了工程結構體監(jiān)測模型，分析了橋梁工程力學結構，以橋梁施工監(jiān)測為例，設計了典型的工程監(jiān)測項目方案。比較詳細地闡述了光纖光柵傳感系統(tǒng)在橋梁、高層建筑、油罐等工程中的具體應用。從實際工程應用的效果，闡述了光纖光柵傳感技術在上述領域監(jiān)測中的優(yōu)點以及廣泛的應用