基于无芯光纤传感的多物理量监测技术研究

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1、中图分类号：TP212论文编号：102870118-S132学科分类号：0804Z1硕士学位论文基于无芯光纤传感的多物理量监测技术研究研究生姓名袁慧影学科、专业仪器科学与技术（智能监测与控制）研究方向光纤结构健康监测指导教师梁大开教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一八年四月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearchonMulti-physicalMonitoringTechnologyBasedonNo-coreFiber

2、SensingAThesisinInstrumentScienceandTechnology（IntelligentMonitoringandControl）ByYuanHuiyingAdvisedbyProf.LiangDakaiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringApril，2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南

3、京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要近年来，一种新型结构光纤——无芯光纤引起了众多国内外研究学者的关注。基于无芯光纤的模式干涉型光纤传感器具有结构紧凑、灵敏度高、易于实现多参数测量等优点，已被广泛应用于环境监测、生物医疗、电力系统等领域。本文主要针对基于无芯光纤的干涉型全光纤传感器，采用不同的传感结构，分别研究该类传感器对不同外界参量的感知特性及其在结

4、构健康监测领域中对振动和冲击信号的响应特性。主要内容包括以下几个方面：首先，针对单模-无芯-单模（Singlemode-No-core-Singlemode，SNS）多模干涉型全光纤传感结构，研究了多模干涉型光纤传感器的传感理论。并借助光学仿真软件Rsoft数值模拟得到无芯光纤尺寸、环境折射率等参数对光纤中光场能量分布及输出耦合效率的影响，为后续传感结构的设计及各种监测实验提供理论依据。其次，基于对无芯光纤结构在不同环境折射率下的透射谱特性数值仿真分析，分别研究了透射型（SNS）和反射型（SN）两种复合传感结构的光纤液体折射率传感器，并搭建实验系统，实现基于光谱辨识的不同浓度液体折射率

5、的有效监测。再次，针对多种环境集成监测需求，利用将SNS结构与光纤光栅传感器（FBG）级联，研究了SNS-FBG传感结构对应变、弯曲、温度、折射率的响应特性，并实现了温度与折射率的同时监测，且实验结果表明，可以将该结构应用于温度和应变、应变和弯曲等双参数测量领域。最后，以典型航空结构铝合金板为研究对象，构建了基于SNS结构的振动与冲击信号监测实验系统，并编写了基于LabVIEW的图形化数据采集与分析软件，监测得到SNS传感结构对于持续振动信号及瞬态冲击信号的响应特性。关键词：无芯光纤，多模干涉，多参量测量，振动监测，冲击监测本文工作得到国家自然科学基金项目（51275239、U1537

6、102）、航空科学基金（20152852036）、CAST-BISEE基金、中央高校基本科研专项资金（NS2016004）、机械结构力学及控制国家重点实验室（南京航空航天大学）（MCMS-0516K01）、上海航天科技基金（SAST2015062）的资助。本文工作在南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点试验室完成。I基于无芯光纤传感的多物理量监测技术研究ABSTRACTInrecentyears,anovelstructureofopticalfiber—No-corefiber(NCF)hasattractedtheattentionofmanyresearchersbothat

7、homeandabroad.Themode-basedinterferometricsensorbasedonNCFhasmanyadvantagessuchascompactstructure,highsensitivityandeasytorealizemulti-parametermeasurement,andhasbeenwidelyusedinthefieldofenvironmentalmonitoring,biologicalan