文档介绍：南开大学
博士学位论文
基于啁啾化光纤光栅与高双折射光纤环境传感技术的研究
姓名:董波
申请学位级别:博士
专业:光学
指导教师:赵启大
20080501
摘要本论文是在国家科技部钅俊⒐易匀豢蒲Щ鹣钅俊⒔逃坎┦康基金项目、天津市科技重大攻关项目、中国石化集团科技项目等的支持下完成的。结合课题研究的目标,对基于啁啾化光纤光栅和高双折射光纤环镜的传感技术进行了系统的理论和实验研究。提出和设计了基于复杂应变调制函数的光纤光栅传感机构,并将该机构成功地应用于光纤布喇格光栅的啁啾化调谐、应力和温度同时测量、温度不敏感角度测量。提出和设计了几类基于高双折射光纤环镜的新型传感器,成功地实现了应力和温度同时测量及液位、电流、水声的传感测量。此外,结合中国石化集团的储罐泄漏监测项目,提出和设计了基于单模光纤端面传感探头的分布式储罐泄漏监测系统,该监测系统目前已成功应用于中国石化集团天津分公司的长期模拟储罐石油泄漏监测中。本论文的主要内容和成果概括如下:⒏攀隽舜ǜ屑际醯幕±砺郏环直鸸槟勺芙崃斯庀舜ǜ屑际醯挠攀啤⒎类和应用,光纤光栅传感技术的发展、分类和关键技术,光纤干涉仪传感技术的发展、分类和关键技术;指出了光纤传感技术的国内外研究进展以及亟待解⑾低车毓槟勺芙崃诉惫庀斯庹さ睦砺鄯治龇椒ǎ诖渚卣蟮姆治方法对啁啾化光纤光栅的光谱特性以及外场响应特性进行了系统的分析。系统地分析了啁啾化光纤光栅传感的原理及关键技术。提出了啁啾化光纤光栅用于实现复合应变场传感的方法,传输矩阵分析方法不仅适合啁啾化光纤光栅用于普通函数应变场传感的分析,而且也适合用于复合函数应变场传感的分析,从而为啁啾化光纤光栅实现复杂函数应变场传感提供了科学的理论支持。⑸杓屏嘶谖⒆抖戎涡哿旱墓庀斯庹ごǜ谢梗⒍愿没褂糜倪被餍辰辛讼低车睦砺鄯治龊褪笛檠芯俊5卑袴粘贴到梁表面的不同位置的时候,可以获得不同的啁啾化光纤光栅反射谱。当某跏颊贴位置从变化到时,整个啁啾化光栅的反射光谱趋向于三角谱。当恼程恢迷时,光栅的啁啾谱会出现明显的分立的峰,各分立峰接近于高斯光谱。随着应力的增大,啁啾谱的带宽明显的展宽,并且决的技术难点。
啁啾谱的带宽和中心波长有规律的发生变化,和应力有近似线性的调谐关系。⑻岢霾⑹笛檠橹ち嘶诟丛佑Ρ浜餍车ヒ贿被庀斯庹ぶ行牟ǔ和带宽实现应力和温度同时测量的新方法。在℃的温度和的应力测量范围内,温度和应力的测量结果基本上和实际结果一致。带宽和中心波长对应力的灵敏度分别为/.疦,带宽和中心波长对温度的灵敏度分别为.⑻岢霾⑹笛檠橹ち死酶丛佑Ρ浜餍车牡ヒ贿被庀斯庹ず凸馇差分探测方法实现温度不敏感角度测量的新方法。在奈露确段冢可以实现对角度的温度不敏感测量。在慕嵌炔饬糠段冢孀沤嵌扔弦的增大,归一化光强相应的减小,并且两者成准线性的变化关系,,实验中我们发现对于不同的固定角度,随着应力的增大,光强相应的减小,正好和基于线性啁啾化光栅的传感器具有相反的变化规律。⑻岢霾⑹笛檠橹ち嘶诟咚凵涔庀嘶肪岛偷惹慷攘菏迪治露群陀αν时测量的新方法。在℃奈露群..的应力测量范围内,可以实现温度和应力的同时测量,温度和应力的测量误差分别为ズ%。实验结果表明应力和温度的传感灵敏度是痛ǜ衅鞯囊桓鍪考丁8梅椒ň有灵敏度高、结构简单等优点,而且经合理设计传感信号可以直接光强探测。⑻岢霾⑹,液位传感的灵敏度为/直媛饰8么ǜ衅骶哂结构简单、灵敏度高、低成本、重复性较好等优点。传感信号可以直接光强探测,不需要复杂的解调制设备。⑻岢霾⑹笛檠橹ち嘶诟咚凵涔庀嘶肪岛痛胖粕焖醢羰迪值缌鞔ǜ胁量的新方法。在磁制伸缩棒的线性工作区内,当电流在牟量范围内变化时,光强的透过率和电流的变化具有较好的线性关系,电流的传感灵敏度为/饬糠直媛士纱S牖谄胀ü庀说牡缌鞔感器相比,该方法不存在由于法拉第效应导致的光纤双折射效应的问题。相对于光栅类电流传感器,该方法直接光强探测不需要复杂的解调制设备,具有结构简单、灵敏度高、低成本、重复性较好等优点。⑻岢霾⑹笛檠橹ち嘶诟咚凵涔庀嘶肪岛屯沧创ǜ刑酵肥迪炙饬摘要
的新方法。实验结果表明:在固定的水声频率下,声压的变化跟输出电压具有线性关系。该水听器的声压探测灵敏度为./,水声的频率测量范围可达锌盏耐沧创ǜ刑酵繁确侵锌盏钠德什饬糠段б4蟆8梅椒具有结构简单、灵敏度高、低成本和重复性好等优点,而且传感信号直接光电检测,不需要复杂的解调制设备。、结合中国石化集团的储罐泄漏监测项目,提出和设计了基于单模光纤端面传感探头的分布式储罐泄漏光纤监测系统。在较大的温度变化范围内,该监测系统的光纤传感探头阵列可以稳定地工作在高腐蚀性和易燃易爆的恶劣环境中。该