布拉格与长周期光纤光栅及其传感特性研究.doc

布拉格与长周期光纤光栅及其传感特性研究光纤光栅及其在光纤传感器和光纤通信中的应用研究引起了人们普遍的关注，光纤光栅传感器具有不受电磁干扰、信号带宽大、灵敏度高、易于复用、重量轻、结构紧凑，适于在高温、腐蚀性或危险性环境使用等优点，这种传感器在大型建筑和油井等特殊场合的安全监测方面具有极为广泛的应用前景。本文主要以布拉格(FBG)和长周期(LPG)光纤光栅作为研究对象，对光纤光栅的制作、基本特性和传感应用等进行了实验和理论研究，主要内容包括：对分析光纤光栅特性的基本理论分析方法和数据模拟工具进行了介绍，利用耦合模理论分析了均匀周期布拉格光栅的光谱特性。采用相位掩模法在四种不同的光敏光纤中成功写入布拉格光纤光栅，并对四种光纤的光敏性进行了研究；分别采用镀膜法和机械绕制钨丝法制作振幅模板，在三种不同的光敏光纤中成功写入长周期光栅，并对载氢光纤中写入的长周期光栅的特殊特性进行了初步研究；对光纤光栅法布里—珀罗腔、啁啾光纤光栅、光纤光栅包层模和相移长周期光栅等特殊光栅的写入技术进行了研究。全部采用国产元器件，成功地研制了掺铒光纤超荧光宽带光源，并将其组装成仪器；设计了利用可调谐FBG滤波器对光纤光栅传感信号进行检测的实验方案，对这一传感检测方案进行了理论分析和实验研究，由于采用了高性能的光电测量系统，传感测量的波长分辨率可达2pm，对应的应变分辨率为1.7με，在此基础上对FBG的波分复用传感特性进行了研究；对比调谐滤波检测技术，对光纤光栅可调谐光源波长检测技术进行了理论分析；采用长周期光纤光栅作为边带滤波器，对光纤布拉格光栅的传感信息进行解调，设计了一种全光纤传感测试系统，其波长分辨率可达0.05nm。利用波登管对于压力的机械放大作用，研制了一种新颖的光纤光栅波登管压力传感器，将FBG的压力灵敏度提高了两个数量级，特别是这一传感器的压力灵敏度的大小可以通过改变悬臂梁自身的参数灵活控制；采用聚合物封装技术，将FBG封装于具有不同力学特性的有机聚合物基底中，利用基底的带动作用，将FBG对压力的灵敏度分别提高了20倍和31.7倍，由于我们采用了特殊的工艺，封装后的FBG不出现任何光栅啁啾；在成功封装的基础上对封装光栅的蠕变效应、FBG与封装材料之间的防滑处理等进行了实验研究；设计了外加圆柱形铝管的聚合物封装光纤光栅，将FBG的压力灵敏度提高了1430倍，可用于对微小压力变化的精确测量。对光纤光栅传感器的温度交叉敏感问题及同时测量技术进行了研究，并结合光纤光栅弹簧管压力传感器的结构特点，在悬臂梁的上下两面分别粘贴两个应力。