光纤光栅传感器测量技术的研究

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1、摘要摘要1970年低损耗光纤的研制成功极大地改变了传感器的设计方式，为光纤传感器的研制提供了物质基础。光纤因其具有灵敏度高、抗电磁干扰、柔韧灵巧、可远程感测、易埋植、易贴敷、低损耗、耐腐蚀、能够对多点分布式测量等优点而受到人们的重视。在大型结构健康监测系统和高灵敏度测量中越来越显示出独特优势。近年来，不断涌现的各种类型的光纤传感器已在多领域得到了广泛的实际应用，但光纤光栅对温度和应力交叉敏感，制约其在传感领域中的应用。因此，如何实现光纤光栅多参量同时测量技术，是目前国内外关注的热点和难点问题之一。为了解决应变和温度同时

2、测量的问题，本文通过对光纤传感原理的研究，提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）特殊封装形式的传感器实现了应变和温度同时测量，并对其进行了实验研究，为多参量同时测量技术的应用提供了一种崭新的方案。本文主要研究工作和取得的成果如下：第一，利用高掺锗光敏光纤以相位掩模法自行研制光纤光栅传感器件，并研究了其部分传感特性。实验表明，该方法制作光纤光栅工艺简单方便且容易制作出高质量低成本的FBG传感器，并且稳定性要好。通过实验对光栅的温度特性和应变特性进行研究，验证其基本特性。详细分析光纤FBG传感原理及其传感特性，并对FBG传

3、感器多参量同时测量方法进行了分析。第二，通过实验研究了光栅的温度特性和应变特性，发现光纤光栅同样是很好的传感器件。通过详细分析光纤FBG传感原理及其传感特性，并对FBG传感器同时测量理论进行了分析。分析比较几种常见的光纤光栅双参量测量方法，并加以比较。第三，提出了应变和温度同时测量传感器方案，设计了一种特殊封装的FBG传感器，对此测量方案进行计算机模拟，得到可行性验证。证实光纤光栅是一种很好的低成、高精度传感器件。第四，设计了一套测量系统，该系统是由特殊封装的FBG传感器、宽带光源、耦合器、频谱仪等部分组成。该传感器配

4、合测量系统成功实现了温度与应力的双参量测量，与理论值相符合。证明该结构可以实现温度和应变的区分测量。同时由于选用特殊的封装，相较于裸光栅实现了对光栅温度灵敏度的增敏。基于传感器温度灵敏度提高为裸光I光纤及光栅传感器测量技术的研究栅的3倍以上。增敏后可以实现温度小范围的精确测量，实验中实现了20℃到70℃范围的温度测量。第五，对光纤传感器在瓦斯气体测量方面的研究做了研究，分析对比了几种瓦斯光纤传感器的原理和优缺点，并提出了一种新型光纤光栅瓦斯传感器的设计方案。关键词：传感器，光纤光栅，双材料悬臂梁，双参量测量IIABST

5、RACTABSTRACT1970thesuccessfuldevelopmentofthelowlossfiberopticsensorhasgreatlychangedthedesignmethodofopticalfibersensorresearchprovidesmaterialbase.Opticalfiberduetoitshighsensitivity,anti-electromagnetisminterference,flexibilitydexterity,remotesensing,easyprep

6、aretions,easytostickapply,lowloss,corrosionresistance,abletoadvantagesanddistributedmeasurementmoreattentionbypeople.Inlargestructuralhealthmonitoringsystemandhighsensitivitymeasureinmoreandmoreshowstheuniqueadvantage.Inrecentyears,emergingvarioustypesoffiberopt

7、icsensorhasinmanyareastobeawiderangeofpracticalapplication,butfibergratingtemperatureandstresssensitivitytocrossinthesensorandrestrictedtheapplicationfields.Therefore,howtorealizehowparameterssimultaneousmeasurementoffibergratingattentionathomeandabroad,isthepre

8、senttechnologyisoneofthehotanddifficultproblem.Inordertosolvethestrainandtemperaturemeasuringsimultaneouslyproblems,thisarticlethroughtotheopticalfibersensingprincipl