FBG自致啁啾传感器的设计与基本性能分析

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1、万方数据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：封淑青日期：2016-4-7万方数据万方数据南京航空航天大学硕士学位论文摘要光纤光栅被广泛应用于航空结构健康监测领域，航空结构件的复杂化对布拉格光纤光栅

2、传感器提出了更高的要求。啁啾光纤光栅因其轴向上的光学常数是不同的，能够形成很宽的有效带宽，不同的栅格周期和反射率能够反射出各异的光波长，反射光谱的波长能够与光栅传感器粘贴的位置一一对应，通过提取光谱中的有效光信息能够满足复杂场监测的要求。本文主要的研究工作包括：（1）在光纤光栅理论方面，从微观角度解释了光纤光栅啁啾化的产生机理，结合传输矩阵法和龙格-库塔法对啁啾化的光纤光栅反射光谱和色散曲线进行了理论仿真重构。（2）啁啾光纤光栅制作实验方面，以布拉格光纤光栅在非均匀应变下产生啁啾效应为理论指导，使用了三种不同的基底材料在光纤光栅中建立应变梯度，制作了不同的啁啾光纤光栅。采

3、用压杆调谐的方法，将FBG分别粘贴在中点处和1/4位置处，结果表明粘贴在1/4位置处能制作出带宽为3nm和稳定负色散补偿的啁啾光纤光栅，并且对压杆调谐过程中基底材料结构产生的应变场进行推导和分析，提取了不同位置处的应变梯度，分析了应变梯度对光纤光栅的周期和有效折射率的影响，结果表明，粘贴在不同位置处得到的啁啾光栅系数不相同，对啁啾光纤光栅的反射光谱进行了理论重构，重构的结果与理论趋势相吻合，间接的证明了重构算法的可行性；设计了一个以正弦形基底材料为基础的拉伸实验，将拉伸过程中产生的梯度应变引入布拉格光纤光栅，制作出啁啾取样光栅，利用ABAQUS有限元软件对拉伸结构的应变进

4、行了仿真，提取了各节点处的应变，对啁啾取样光纤光栅进行了光谱重构，重构结果和实验结果的趋势相同；利用SMA的形状记忆效应辅助光纤光栅成型，设计了一个反射光谱波长与空间位置一一对应的微小型的弯曲啁啾光纤光栅，并对其成栅机理进行了定性的分析。（3）设计的带宽可调型光纤光栅传感器可实现应变和温度双参量同时区分测量，并建立了双参量灵敏度矩阵，可通过测量啁啾光纤光栅的带宽变化实现温度不敏感的传感测量。实验结果表明移动位移在2.5mm~10mm范围内变化时，啁啾光纤光栅的反射带宽在1nm~3nm之间变化，近似正线性关系，该方法可以有效的解决温度交叉敏感的问题，能够在使用一根光栅的情况

5、下达到测量目的，方法简单且易于调节。关键词：啁啾效应；光谱重构；FBG；啁啾光栅；双参量测量；色散补偿本文研究工作得到了国家自然科学基金（51405223）支持和中航工业产学研项目的资助。本文研究工作在南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室完成。I万方数据FBG自致啁啾传感器的设计与基本性能研究II万方数据南京航空航天大学硕士学位论文ABSTRACTFBGiswidelyusedinthefieldofaircraftstructuralhealthmonitoring.Aircraftcomplicatedstructuresputsforwardhigher

6、requirementstoFiberBraggGratingsensor.Becauseofthedifferentopticalconstantsalongtheaxial,thechirpedfibergratingcanformwideeffectivebandwidth.Differentgirdcycleandreflectivitycanreflectdifferentwavelengthandthewavelengthiscorrespondingwiththelocationofthegratingsensor,thusextractingtheeffe

7、ctiveopticalspectruminformationcansatisfytherequirementofthecomplexfieldmonitoring.Themainworksandresultsareasfollows:(1)Inthefibergratingtheory,thechirpedmechanismofFiberBraggGratingisexplainedinthemicroangle,combinedwithtransfermatrixmethodandRunger-Kuttamethod,th