双包层光纤微弯传感器及光纤光栅传感网络设计研究

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光纤传感技术是目前发展最为迅速的传感技术之一。由于光纤传感器及其系统具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度高、易于组网等优良特性,在航天、航海、石油化工、电力工业、核工业、医疗器械等领域已经有广泛的应用。除了替代传统机电类传感器,新型光纤传感原理及传感器结构层出不穷,多点多参量检测光纤传感系统不断完善。对于新型光纤传感器原理、结构及检测方法的探讨,对于光纤传感网络中关键技术的研究及实现,追求高速、高精度及大网络规模的传感网络系统一直以来是各国科研工作者不懈追求的目标。本论文以新型光纤传感器结构、检测方法及光纤光栅传感网络技术为研究内容,结合导师科研项目中国博士后基金项目“矿压检测用光纤光栅传感技术及应用研究”(20080441150),利用双包层光纤特殊的结构特性,设计并研制出新型双包层光纤微弯传感器结构,并对其检测技术进行了理论和实验研究;对光纤光栅传感网络技术的原理及实现进行了理论和实验研究,全文共分五章,主要内容包括:第一章,综述了光纤传感技术的发展现状及趋势,主要包括光纤光栅传感技术、光纤微弯传感技术及光纤传感网络技术。第二章,利用耦合模理论、传输矩阵法和傅氏变换法,对光纤光栅光学理论进行了研究;理论研究了光纤光栅的基本传感原理;综合分析了非平衡M-Z干涉仪解调法、可调谐F-P滤波器解调法、光纤环镜干涉解调法、匹配FBG滤波解调法几类常用的光纤光栅解调方法。第三章,对光纤微弯传感器的传感机理及检测技术进行了理论研究。第四章,针对双包层光纤的结构特性,通过理论和仿真研究,建立了双包层光纤弯曲损耗的理论模型,通过对几种双包层光纤结构参数与传感器灵敏度关系仿真,获得实验用光纤最佳结构参数;在此基础上,理论和仿真分析了变形器的最佳周期、齿间距和齿数问题;利用双包层光纤及双包层光纤耦合器特殊的结构,对双包层光纤微弯传感器及其暗场检测方法进行了实验研究。第五章,对基于FFP-TF的解调技术原理进行了理论研究,针对制约系统解调精度的核心问题,如FBG峰判别等进行了深入研究。设计并制作出光纤光栅网络解调系统样机;通过对光纤光栅传感器进行实验测量,验证了该解调系统的性能能够满足多点实时监测的需要。
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