新型光纖光柵傳感技術(shù)研究.pdf

1、光纖布拉格光柵(FiberBraggGrating，F(xiàn)BG)作為目前最具發(fā)展前途的光纖無源器件之一，憑借其抗電磁干擾、耐腐蝕、熔接損耗小、靈敏度高、體積小、易于分布式測量等優(yōu)越的特性，在光纖傳感領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。利用光纖光柵進(jìn)行高溫安全監(jiān)測具有廣闊的應(yīng)用前景，目前基于光纖光柵的耐溫傳感系統(tǒng)的實用化研究一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點;光纖光柵聲發(fā)射傳感技術(shù)是結(jié)合光纖光柵傳感技術(shù)與聲發(fā)射檢測技術(shù)的優(yōu)勢發(fā)展起來的一種新的檢測技術(shù)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)

2、測領(lǐng)域呈現(xiàn)出良好的發(fā)展?jié)摿?，國外已有相關(guān)研究報道，而國內(nèi)關(guān)于這方面的研究還較少。
　　本文針對目前光纖光柵在高溫測量和聲發(fā)射傳感領(lǐng)域中的一些熱點問題進(jìn)行了理論及應(yīng)用研究。在研究耐溫光纖光柵傳感特性及多光纖光柵解調(diào)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了基于InGaAs圖像傳感衍射解調(diào)的新型耐溫光纖光柵傳感系統(tǒng);建立了改進(jìn)的支持度矩陣數(shù)據(jù)融合模型對傳感系統(tǒng)的溫度測量值進(jìn)行處理，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高可靠性;理論并實驗研究了低幅值聲發(fā)射波下，決定光纖光柵聲

3、發(fā)射傳感系統(tǒng)響應(yīng)靈敏度的關(guān)鍵因素;另外，采用單端光纖粘貼結(jié)構(gòu)和可移動式耦合方法設(shè)計了對外界應(yīng)力干擾不敏感的高靈敏度光纖光柵聲發(fā)射傳感器。本文的具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)介紹了光纖布拉格光柵的發(fā)展及研究應(yīng)用現(xiàn)狀;總結(jié)和分析了光纖布拉格光柵在中高溫傳感領(lǐng)域的國內(nèi)外研究進(jìn)展及水平;總結(jié)歸納了目前基于光纖布拉格光柵的聲發(fā)射傳感方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。
　　(2)針對以往耐溫光纖光柵傳感系統(tǒng)測量精度有限、響應(yīng)速度慢、抗干擾能力差

4、等問題，深入研究耐溫光纖光柵溫度傳感特性，在此基礎(chǔ)上建立了光纖光柵中心波長-溫度傳感模型，通過設(shè)計高線性度及靈敏度、小體積的新型管式耐溫光纖光柵傳感器，優(yōu)化耐溫光纖光柵傳感陣列結(jié)構(gòu)和設(shè)計基于InGaAs圖像傳感衍射解調(diào)技術(shù)的波長解調(diào)系統(tǒng)，搭建了基于波長解調(diào)的新型耐溫光纖光柵傳感系統(tǒng)，克服了基于光強解調(diào)的耐溫傳感系統(tǒng)易受光路噪聲干擾的缺點，傳感器標(biāo)定實驗分析了新型耐溫光柵傳感器中心波長隨溫度的變化特性。20℃至290℃溫度特性實驗表明，所

5、設(shè)計的傳感系統(tǒng)測溫曲線線性擬合度達(dá)0.9991，靈敏度為0.0258nm/℃，測量精度達(dá)±0.6℃，響應(yīng)時間小于16s;長期穩(wěn)定性實驗溫度最大波動為±0.7℃。該系統(tǒng)精確度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)時間短、抗電磁干擾能力強，十分適合應(yīng)用于高溫環(huán)境中溫度的實時在線測量。
　　(3)在深入研究多傳感器信息融合原理的基礎(chǔ)上，比較分析了多傳感器信息融合技術(shù)中常見的實現(xiàn)算法，并對各算法的優(yōu)缺點進(jìn)行分析比較。針對傳統(tǒng)支持度矩陣法不能表現(xiàn)傳感器測量數(shù)據(jù)

6、在整個量測區(qū)間可靠性的局限，建立了一種改進(jìn)的支持度矩陣數(shù)據(jù)融合模型。利用改進(jìn)的數(shù)據(jù)融合模型對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，構(gòu)建了基于改進(jìn)的支持度矩陣數(shù)據(jù)融合模型的耐溫光纖光柵傳感系統(tǒng)。溫度測量實驗表明基于改進(jìn)的支持度矩陣數(shù)據(jù)融合模型的傳感系統(tǒng)測溫估計值總絕對誤差明顯小于其他三種融合方法（平均值法、分批估計法、傳統(tǒng)的支持度矩陣法）處理后的誤差值。由20℃～290℃測溫實驗結(jié)果可以看出，基于該數(shù)據(jù)融合模型的系統(tǒng)測溫精度高;當(dāng)傳感器發(fā)生故障時，構(gòu)建的支持

7、度矩陣模型穩(wěn)健性良好，傳感系統(tǒng)測溫可靠性高，具有一定的推廣應(yīng)用價值。
　　(4)從聲發(fā)射波的檢測實際需求出發(fā)，在研究光纖光柵的傳輸矩陣?yán)碚摵吐暟l(fā)射波與光纖光柵的相互作用原理的基礎(chǔ)上，揭示了聲發(fā)射波作用下均勻光纖光柵的折射率分布情況，建立了光纖光柵聲發(fā)射波傳感模型。結(jié)合實際測量的光纖光柵主要參數(shù)及仿真實驗中所用到的模擬聲發(fā)射波參數(shù)，實現(xiàn)了聲發(fā)射波作用下的光纖光柵反射譜的仿真。通過仿真重點分析了聲發(fā)射波的幅值及波長對光纖光柵的反射譜特

8、性的影響，分別仿真了不同波長及幅值的聲發(fā)射波作用下，一個作用周期內(nèi)初始時刻光纖光柵的反射譜及一個作用周期內(nèi)不同時刻光纖光柵的反射譜，并確定了聲發(fā)射波的幅值、聲發(fā)射波的波長與光纖光柵的柵區(qū)長度的比值關(guān)系對光纖光柵反射譜特性定性或定量的影響。上述對聲發(fā)射波作用下光纖光柵反射譜數(shù)值仿真的研究，為今后利用光纖布拉格光柵進(jìn)行聲發(fā)射波檢測提供了有效的理論基礎(chǔ)。
　　(5)詳細(xì)分析了光纖光柵高頻解調(diào)法的解調(diào)原理和優(yōu)缺點，搭建了基于可調(diào)諧窄帶激光

9、器的光纖光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)，該傳感系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、波長分辨率高、解調(diào)速度快及靈敏度高等特點。深入研究了光纖光柵的柵長對聲發(fā)射傳感系統(tǒng)響應(yīng)靈敏度的影響，建立了低幅值聲發(fā)射波作用下光纖光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)響應(yīng)靈敏度檢測模型，研究了影響基于不同柵長光纖光柵的聲發(fā)射傳感系統(tǒng)靈敏度的主要因素，利用不同柵長的光纖光柵進(jìn)行聲發(fā)射檢測實驗，實驗結(jié)果與數(shù)值仿真的結(jié)果相符，結(jié)果表明在聲發(fā)射波的幅值小于15με時，光纖光柵反射譜邊沿斜率是影響傳感系統(tǒng)的響應(yīng)靈

10、敏度的主要因素。
　　(6)采用單端光纖粘貼結(jié)構(gòu)和可移動式耦合方法設(shè)計了新型的高靈敏度諧振式光纖光柵聲發(fā)射傳感器，對具有不同傳感長度的新型諧振式光纖光柵聲發(fā)射傳感器進(jìn)行響應(yīng)特性實驗，實驗結(jié)果表明，隨著傳感長度的增加，傳感器的一階諧振頻率逐漸減小，且一階頻率理論值與實驗值相吻合，誤差均小于±2kHz;隨著傳感長度的減小，傳感器一階諧振峰6dB帶寬逐漸增加，并且檢測到的諧振峰帶寬均小于7.5kHz。拉伸實驗證明新型傳感器對施加到檢測結(jié)