光纤光栅传感系统的无线传输、解调与封装技术的研究与应用

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1、南开大学博士学位论文光纤光栅传感系统的无线传输、解调与封装技术的研究与应用姓名：刘丽辉申请学位级别：博士专业：光学指导教师：赵启大20050401南开大学博士学位论文摘要自从光纤光栅(FBG)出现的短短二十多年中，光纤光栅传感技术得到了快速的发展，并逐渐应用到军事和民用工程领域里。广阔的应用前景使其在光纤通信、光纤传感等领域中具有重要变革性的地位。光纤光栅传感技术是将光输入光纤光栅(如Bragg光纤光栅)中，当满足光反射(或透射)匹配条件时，其反射(或透射)光谱在匹配位置将出现峰值。光栅受到多种外部物理

2、场作用时，光栅栅格间距改变，反射光波长^将发生变化。根据入值的变化可以计算出待测物理场(如应力、应变、温度、位移、电流、电压、振动强度、加速度、流量等)的变化。由予光纤光栅本身具有无电磁感应性、化学稳定性高、容量大、精度高等优点，这种光纤光栅传感器在工业、国防、外空探测、环境监测、医疗等领域中拥有广阔的应用前景。本文主要以光纤光栅作为传感元件，利用光纤光栅反射波长漂移与外界环境变化呈线性关系的原理，对光纤光栅的封装、解调、无线传输以及应用等多方面进行深入的研究。主要内容包括：一、采用各种材料、工艺和结构

3、的设计封装光纤光栅传感器，用来改善光纤光栅对外界环境的灵敏度。1．首次设计并实现了采用两种聚合物均匀混合后对布拉格光纤光栅的封装。在恒温下对封装后的光栅进行了压力实验，实验表明这种材料是一种比较好的封装材料。用封装后的光栅对压力有很高的灵敏性，在0～10MPa的范围内压力灵敏度为一1．22×10～／MPa，是裸光栅压力灵敏度的62倍，是同类结构报道的2倍。。2．首次设计并实现了免受温度影响的压力传感器。将光纤光栅一部分封装到金属管内的独特结构不仅大大提高了其压力灵敏度，在低压力范围内(0～0．44MPa

4、)具有高灵敏度的特性；而且利用这种方法能够在一定的温度范围内避免其温度交叉敏感的问题。这种封装方法简单方便，只要采用一根光纤光栅就能够避免温度参量的变化给光纤光栅压力传感器所带来的干扰，这种结构在一定程度上解决了上述问题。南开大学博士学位论文3．首次合作设计并实现了光纤布拉格光栅轮辐式压力传感器的研制。该传感器测量压力范围大，向光纤光栅的实用化方向迈进～步。实验研究了光纤布拉格光栅轮辐式传感器的传感特性，这种传感器压力测量范围为0～30KN，其灵敏度为一2．172×10～／KN，线性拟和度可高达0．99

5、9。这说明光纤布拉格光栅是理想的压力传感元件，可以应用在复杂工业环境下的压力测量以及汽车衡、轨道衡、皮带秤等衡器上。4．设计并实现了对Bragg光纤光栅用两种聚合物材料均匀混合后封装。并做了温度实验。实验可知此温度传感元件在30℃到80℃范围内具有较高的温度灵敏度，是裸光栅温度灵敏度的11倍；在80℃到230℃范围内温度灵敏度较低，是裸光栅的4．5倍，有较好的线性拟合度。二、完成GSM无线传输技术的光纤光栅传感系统的研制。1．对双折射光纤环形镜级联滤波特性进行了理论分析，并得出了表达式。实验表明，理论与

6、实验相符。多个串联的光纤环形镜滤波器比单个光纤环形镜滤波器有更加灵活的特点，使光纤环形镜具有了新的滤波特性，因此它有更加广阔的应用前景。2．首次设计并合作完成了采用高双折射光纤环形镜滤波器的温度补偿，双折射环形镜粘贴于大热膨胀系数的基底材料，使双折射光纤环形镜对应变产生的漂移补偿其对温度产生的漂移。经过封装后双折射光纤环形镜对温度的灵敏度降低到0．059nm／℃，将其温度灵敏度降低了两个数量级。这种方法筒单可行，在一定程度上解决了双折射环形镜温度敏感的问题。3．首次合作在完成解调、光电检测和数据处理部分

7、具体设计的基础上，建成基于无线GSM网的光纤光栅传感系统，成功的实现了数据传输。。并将其成功的用于标准等强度梁的应变分布的传感测量。该系统在大型重要建筑物应变安全的远程监测方面的应用前景广阔。三、设计并研制了光纤型的液体泄漏检测系统。1．采用长周期光纤光栅传感装置进行液体泄派检测。将长周期光纤光栅进行封装，并进行了温度实验，实验表明采用长周期光纤光栅可以检测折射率较大的液体泄漏，本实验装置采用光强型检测方式避免了波长解调的复杂方案。Ⅱ南开大学博士学位论文2．首次采用长周期光纤光栅和布拉格光纤光栅混和级联

8、的方法进行液体泄漏检测。长周期光纤光栅作为传感探头，布拉格光纤光栅作为参考光栅，利用边缘滤波方法对液体泄漏进行检测。此方案提高了光纤光栅对折射率的灵敏度，对折射率较低的液体也可以进行泄漏检测。3．首次设计并实现了单路多点液体泄漏检测光纤传感系统。利用光纾端面作为传感探头对各种液体泄漏进行检测，并提出多路多点并联的方案。利用多点光纤探头并联的方案不仅能够扩大系统的监测范围，而且能够对泄漏液体进行量化的报警。还可以降低光纤探头的测量误差。对该系