光纤微珐-珀与布拉格光栅加速度传感器的研究

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自光纤传感器问世以来,由于其具有高可靠性、抗腐蚀、不受电磁干扰、复用能力强、传输损耗低、传输距离长等传统电传感器无法比拟的优点而备受科研人员的关注,成为近几十年发展最快的光纤无源器件。而在众多的光纤传感器中,应用于测量加速度的传感器在满足国家重大需求方面具有广阔的应用前景,如地震监测、重要设施安全监测、电力工业和石油勘探领域等。本文主要研究了两种重要的加速度传感器:一种是基于封闭型微光纤法-珀加速度传感器,另一种是基于喇曼放大的长距离FBG加速度传感器系统。前者满足了人们对于光纤法-珀传感器器件微型化、轻量化,耐高温能力、在易燃易爆等恶劣环境下工作等方面迫切的要求,而后者则在长距离和复用方面展示了极大的优势。具体完成的工作如下:I.对加速度传感器的测量原理和主要分类作了简要介绍,分析了目前一些典型的光纤加速度传感器的工作原理及各自的优缺点,提出了本文的主要研究内容﹑研究目标以及主要创新点,分析了光纤F-P传感器和光纤FBG传感器的传感原理,并简要介绍了两种传感器的信号解调方法。II.利用有限元分析法(ANSYS)仿真了特定参数的悬臂梁,对其进行了动力学模式分析及静力学应力分析,计算了该悬臂梁的固有频率,1g加速度作用下应变特性以及横向串扰,并计算了100g加速度作用下的悬臂梁的主应力和Von Mises应力分布。III.概述了157nm准分子激光微加工技术和基于该技术制作封闭型微光纤法珀传感器的工艺和流程。研究了该封闭型微光纤法-珀传感器在常温下的加速度应变特性。研究发现,这种新结构的光纤法-珀加速度传感器具有很好的分辨率,FFT信噪比为30dB,分辨率为1.13mg/Hz1/2。通过MUSIC算法处理信号,信噪比可提高到75dB,分辨率达到3.56 x 10-2μg/Hz1/2。而其对温度不灵敏的特性有助于其应用于高速公路、桥梁、大坝等大型建筑结构的健康监测中。Ⅳ.提出了一种基于喇曼放大的光纤光栅(FBG)环形激光器光纤长距离加速度传感系统,从喇曼散射的原理出发,阐述了该环形激光器的原理,并对该系统的性能进行了实验研究,同时也采用了MUSIC算法提高了系统信噪比。
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