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

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1、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863项目、国家自然科学基金项目、教育部博士点基金项目、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(FiberBraggGrating,FBG)的啁啾化调谐、应力和温度

2、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：1、概述了传感技术的基础理论；分别归纳总结了光纤传感技术的优势、分类和应用，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

3、外研究进展以及亟待解决的技术难点。2、系统地归纳总结了啁啾光纤光栅的理论分析方法，基于传输矩阵的分析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。3、设计了基于微锥度柱形悬臂梁的光纤光栅传感机构，并对该机构用于FBG的啁啾化调谐进行了系统的理论分析

4、和实验研究。当把FBG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FBG的初始粘贴位置从50mm变化到20mm时，整个啁啾化光栅的反射光谱趋向于三角谱。当FBG的粘贴位置在50mrn---,66mm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，并且摘要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。4、提出并实验验证了基于复杂应变函数调谐单一啁啾化光纤光栅中心波长和带宽实现应力和温度同时测量的新方法。在10℃"-'600(2的温度和

5、0N'--'8．918N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0．344nm／N和0．408nm／N，带宽和中心波长对温度的灵敏度分别为O和0．078nm／"C。5、提出并实验验证了利用复杂应变函数调谐的单一啁啾化光纤光栅和光强差分探测方法实现温度不敏感角度测量的新方法。在0"C-'-60"12的温度范围内，可以实现对角度的温度不敏感测量。在0"-'900的角度测量范围内，随着角度余弦的增大，归一化光强相应的减小，并且两者成准线性的变化关系，角度的余弦对归一化光强的灵敏度可达

6、0．133．另外，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。6、提出并实验验证了基于高双折射光纤环镜和等强度梁实现温度和应力同时测量的新方法。在40℃"8012的温度和0．098N"-"1．078N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1％和5％。实验结果表明应力和温度的传感灵敏度是FBG型传感器的一个数量级。该方法具有灵敏度高、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。7、提出并实验验证了基于高双折射光纤

7、环镜和等强度梁实现液位连续性测量的新方法．在O～140ram的测量范围内，光强的透过率和液位的变化具有较好的线性关系，液位传感的灵敏度为0．047／era，分辨率为10mm。该传感器具有结构简单、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。8、提出并实验验证了基于高双折射光纤环镜和磁制伸缩棒实现电流传感测量的新方法。在磁制伸缩棒的线性工作区内，当电流在300mA"-1200mA的测量范围内变化时，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0,0153／100mA，测量分

8、辨率可达10mA。与基于普通光纤的电流传感器相比，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。9、提出并实验验证了基于高双