金属化长周期光纤光栅传感机理建模及强度波分复用

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1、分类号：密级：ＵＤＣ：学号：４０５９０６３１５０１１南昌大学硕士研究生学位论文金属化长周期光纤光栅传感机理建模及强度波分复用ＭｏｄｅｌｉｎｏｆＭｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎＬｏｎＰｅｒｉｏｄＦｉｂｅｒＧｒａｔｉｎｇｇｇＳｅｎｓｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄＩｎｔｅｎｓｉｔｙＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ江建锋培养单位（院、系）：机电工程学院、材料加工工程系指导教师姓名、职称：李玉龙教授，申请学位的学科门类：工学学科专业名称：材料加工工程论

2、文答辩日期：２０１８年５月２８日孩＂答辩委员会主席：评阅人：＾２０１８年５月２８日摘要摘要长周期光纤光栅(Longperiodfibregrating,LPFG)是一种周期在十几微米到几百微米的光纤光栅。由于其特有的结构：纤芯模和包层模之间发生耦合，因此具有不会对光源产生干扰、背向散射小、插入损耗小等优点从而在传感领域和通信领域具有广泛的应用。然而，裸光栅细小质脆、易损坏，且埋入基体时容易断裂和定位困难；裸光栅的温度、应变灵敏度低，无法满足对温度、应变分辨率要求高等各种缺点，因此，LPFG应用于工程前需要对其进行增敏和保护封装

3、。目前，单点光纤光栅传感器测量已不能满足结构健康监测的应用要求，因此需要对光纤传感器进行多点进行共同测量。复用技术使光纤传感器进行多点分布式测量变成现实，强度波分复用是利用强度对分布式测量线上的光纤传感器进行编码从而区分不同测量物理量的一种新型传感技术。本文对LPFG的金属化封装、长周期光栅光栅温度传感模型、强度波分复用(IntensityandWavelength-division-multiplexing，I-WDM)、I-WDM传感特性等问题进行研究，主要内容如下：1)LPFG的金属化封装。采用化学镀的方法对LPFG进行金属化，实验结果

4、显示:LPFG化学镀Ni和Cu层的表面光滑、连续、镀层均匀致密、没有明显的开裂和起皮等缺陷。采用化学镀的方法可以很好的对LPFG进行封装保护。2)提出并建立了一种分析金属化LPFG温度传感的数学模型。运用Matlab7.0软件对金属化LPFG温度特性影响因素进行模拟，模拟值和实验值进行验证。结果显示：温度灵敏度随弹性模量、泊松比、热膨胀系数的升高而升高：模拟结果和实验结果都表明金属化厚度对温度灵敏度也有影响。在金属化LPFG的实验验证的结果中，镍封装LPFG的厚度分别为6.5μm、5.2μm、7.2μm，基于此三种化学镀镍厚度的温度灵敏度的计

5、算结果分别为57.27pm/℃、60.91pm/℃、66.55pm/℃；铜封装LPFG的厚度分别为3.8μm、4.9μm、5.4μm，基于此三种化学镀铜厚度的温度灵敏度的计算结果分别为58.17pm/℃、59.58pm/℃、61.18pm/℃。计算结果和实验结果相比较，误差低于9.75%。结果表明，本文建立的LPFG温度传感模型是可行的。3)设计了一种I-WDM传感系统。该系统由三输出端口分光器(OS)，分别具有50，35和15％的不同输出比，连接到每个I-WDM光纤光栅传感器，可用I摘要于同时监测应变和温度等多个物理量。光开关(OSW)可以

6、用来连接不同的传感光纤路径(路径1、路径2)改变各种功率比输出端口，不同连接的端口输出比例可以产生不同强度的I-WDM编码：所设计的I-WDM系统，由于可以利用不同的强度区分，在光源波长范围一定的条件下系统整体可分辨的传感器数量可以成倍增加。因此，可以同时监测像应变、温度、弯曲等多个不同的物理量。4)对设计系统的可行性进行了验证实验。利用金属化LPFG和光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating,FBG)进行了I-WDM实验，具体包括：对系统内光纤光栅传感器进行温度和弯曲传感实验，实验中利用不同强度、波长来区别传感器信号。利用光纤拉伸

7、机对粘贴在铝薄片的光纤光栅传感器进行弯曲传感实验，利用干燥加热器进行温度传感实验。实验中，拉伸机下降的速度是1mm/min每次下降1mm停留时间是2min总共下降5mm然后再以同样的方式进行弯曲上升实验。利用干式加热法对传感器进行温度传感实验，每隔10℃利用光谱仪记录传感器的中心波长利用origin软件对其进行拟合。弯曲灵敏度为171.865pm/℃。并且当到达一定的弯曲量时谐振波会发生分裂且两个分裂峰的中心波长之差和弯曲损耗跟弯曲量有关。两波长相距的距离随着弯曲量的增加而减少，损耗幅值随着弯曲量的减少而减少趋势。关键词：长周期光纤光栅；波分

8、复用；温度传感模型；金属化；弯曲传感IIAbstractABSTRACTLongperiodfibregrating(LPFG)isfibergratingwith