少模光纖布拉格光柵折射率傳感分析與測量

提出一種通過布拉格光纖光柵傳輸譜線計(jì)算其纖芯直徑和折射率的方法.實(shí)驗(yàn)中采用較短波長的相位掩模板及紫外光照射載氫的單模光纖來寫布拉格光柵.通過測量lp01模與反向傳輸?shù)膌p01、lp02模耦合所對應(yīng)的損耗峰,并將對應(yīng)的兩中心波長分別帶入色散方程,來計(jì)算同時滿足布拉格光柵相位匹配條件的解,即可求出該光纖光柵纖芯直徑和折射率.這種方法為測量光纖光柵參數(shù)提供了一種新的途徑.

研究單端腐蝕光纖布拉格光柵(fbg)在低折射率區(qū)(約1.333～1.360)對折射率與溫度同時測量的理論模型,分析其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對折射率靈敏度和線性度的影響,建立相應(yīng)的線性近似理論和誤差分析方法。理論仿真結(jié)果表明,可通過減小腐蝕區(qū)的直徑或選擇光柵周期較大的fbg制作傳感器來提高折射率靈敏度,但這同時會降低傳感器的線性度及增大折射率靈敏度的理論誤差。在此理論分析基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并制作一個單端腐蝕fbg,進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

提出了一種基于fpga與dsp平臺的光纖布拉格光柵傳感分析儀,將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為光纖布拉格光柵波長的偏移,通過數(shù)據(jù)采集、過濾雜波、信號波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長計(jì)算等關(guān)鍵步驟來實(shí)現(xiàn)波長解調(diào)技術(shù),進(jìn)而完成溫度、應(yīng)變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實(shí)現(xiàn)光纖線路故障分析與定位的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)功耗低、線性度好、波長解調(diào)精度與分辨率較高。經(jīng)過長期測試,系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

由法拉第效應(yīng)原理,通過測量磁場引起光纖布拉格光柵(fbg)的偏振相關(guān)損耗(pdl),可以測得磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。fbg中線雙折射的存在,同樣改變了光的偏振特性,仿真并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了fbg固有偏振相關(guān)損耗的特點(diǎn)。利用瓊斯矩陣法理論推導(dǎo)了fbg在既有雙折射又有磁場影響時,輸入線偏振光偏振態(tài)的變化規(guī)律。通過對偏振相關(guān)損耗與線偏振光起偏角和雙折射大小的仿真分析可知,不同起偏角的線偏光對線雙折射的敏感度不同。在線雙折射的影響下,偏振相關(guān)損耗峰值隨起偏角大小呈周期性變化,對磁場測量的靈敏度產(chǎn)生影響,而與磁感應(yīng)強(qiáng)度的線性關(guān)系并未發(fā)生變化。

利用復(fù)模式耦合模理論分析了基于閃耀光纖布拉格(bragg)光柵功率檢測的折射計(jì)中不同設(shè)計(jì)參數(shù)對折射計(jì)性能的影響。利用完全匹配層(pml)技術(shù)簡化了輻射模分析模型。分析結(jié)果表明,隨著光柵傾斜角度的增大,折射計(jì)的感應(yīng)范圍向折射率較小的方向移動。隨著光柵長度以及折射率調(diào)制強(qiáng)度的增大,折射計(jì)的靈敏度增大,但折射率感應(yīng)范圍不變。同時這種折射計(jì)具有偏振依賴性,隨著光柵傾斜角的增大偏振依賴性提高。因此在這種傳感系統(tǒng)中需要引入精確且穩(wěn)定的偏振控制。

研究了具有高雙折射的光子晶體光纖(hbpcf)中均勻布拉格光柵(fbg)的光譜特性。利用緊湊的超格子模型,對光子晶體光纖的傳輸特性進(jìn)行分析,研究正向傳輸和反向傳輸?shù)哪Ｊ街g的耦合規(guī)律,從而研究寫入光子晶體光纖中的均勻布拉格光柵的特性。首先給出具有c6v對稱性的零雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的布拉格波長λb隨光纖結(jié)構(gòu)參量的變化規(guī)律;然后分析一種高雙折射光子晶體光纖中的光纖布拉格光柵的光譜特性,高雙折射使兩個不同偏振態(tài)的反射峰分開較大;最后分析了一種常用的雙模雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的光譜特性,lp01模和lpe11模的兩個偏振態(tài)對應(yīng)的反射譜都由于高雙折射而分開。

根據(jù)耦合模理論和瓊斯矩陣與斯托克斯矢量的關(guān)系給出單模均勻光纖布拉格光柵(fbg)反射和透射斯托克斯參量公式,數(shù)值模擬出低雙折射單模光纖均勻fbg在不同雙折射值下反射和透射斯托克斯參量隨波長變化的曲線。結(jié)果顯示4個歸一化斯托克斯參量中,s1關(guān)于中心波長λ0呈反對稱分布,s0,s2和s3關(guān)于λ0呈對稱分布;雙折射值增大譜線不產(chǎn)生漂移,但譜線反射帶寬變窄,反射信號與透射信號斯托克斯參量振幅均有不同程度的變化,表明雙折射值對斯托克斯參量的影響非常顯著。測出單模光纖均勻fbg反射和透射斯托克斯參量隨波長變化曲線,理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合。

兩電流產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個布拉格光柵的波長漂移差,得到被測電流。雙光纖布拉格光柵通過補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

提出了基于可調(diào)激光器和聲光脈沖調(diào)制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統(tǒng),同時利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結(jié)合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的傳輸距離,達(dá)到了300km的超長距離傳感。該系統(tǒng)通過前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來補(bǔ)償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長度時獲得了大于15db的優(yōu)良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中,線性度均達(dá)到了0.999以上。系統(tǒng)可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長距離遙測中得到廣泛應(yīng)用。

載流導(dǎo)線在磁場中產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵(fbg)的布拉格波長漂移。通過檢測2個fbg的波長漂移差,得到被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。雙fbg通過補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了fbg傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對誤差為4.31%,結(jié)果表明,該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

將長周期光纖光柵(lpg)和光纖sagnac環(huán)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了折射率和溫度的同時測量。首先利用二氧化碳激光器在保偏光纖上制作了長周期光纖光柵(pm-lpg),然后把該pm-lpg和普通單模光纖耦合器組成sagnac環(huán),作為傳感單元。實(shí)驗(yàn)選擇其某一透射峰作為測試對象,其波長隨溫度變化,強(qiáng)度隨折射率變化,因此可實(shí)現(xiàn)兩個參量的同時測量。實(shí)驗(yàn)獲得的溫度靈敏度為-0.654nm.℃-1,折射率靈敏度為49.9db.riu-1。整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成本低、簡單實(shí)用,具有較好的應(yīng)用前景。

闡述了光纖布拉格光柵的幾種解調(diào)方法及實(shí)驗(yàn)原理框圖,并介紹了各種解調(diào)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

光纖布拉格光柵(fbg)傳感器是智能金屬結(jié)構(gòu)首選的信息傳輸與傳感的載體,埋入金屬材料內(nèi)部的fbg傳感器必須要經(jīng)過適當(dāng)保護(hù),金屬鍍層是最有效的保護(hù)方法之一。fbg經(jīng)過鍍前預(yù)處理,通過化學(xué)鍍方法可獲得均勻的金屬保護(hù)鍍層。針對金屬保護(hù)鍍層,應(yīng)用彈性力學(xué)基本原理分析了由于鍍層與fbg傳感器的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力,建立了鍍層厚度對fbg溫度傳感性能影響的數(shù)學(xué)模型。鍍鎳fbg的升溫和降溫傳感實(shí)驗(yàn)表明,升溫時的實(shí)際溫度靈敏度系數(shù)與模型值之間誤差為6.22%,降溫時的實(shí)際溫度靈敏度系數(shù)與模型值之間誤差為6.75%。與裸fbg相比,化學(xué)鍍鎳后的fbg溫度靈敏度系數(shù)提高1倍多。結(jié)果表明該溫度模型從理論上解釋了鍍層金屬熱應(yīng)力對fbg起到的溫度增敏作用。

提出了一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級聯(lián)長周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個線性區(qū)監(jiān)測單個光纖布拉格光柵傳感信號。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但易受光源抖動及系統(tǒng)其他不穩(wěn)定因素等帶來的系統(tǒng)噪聲的影響。為消除系統(tǒng)噪聲帶來的不利影響,對該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)系統(tǒng)利用級聯(lián)長周期光纖光柵的兩個線性區(qū)同時監(jiān)測兩個光纖布拉格光柵傳感信號。分別用原系統(tǒng)及其改進(jìn)系統(tǒng)對溫度進(jìn)行監(jiān)測,實(shí)驗(yàn)的溫度測量范圍為-70～-115°c。原系統(tǒng)的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進(jìn)系統(tǒng)的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)系統(tǒng)能有效消除系統(tǒng)噪聲,提高系統(tǒng)的精度。

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據(jù)鍍nifbg的特點(diǎn),分析了鍍nifbg溫度變化時的應(yīng)力應(yīng)變,從理論上推導(dǎo)出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,用理論證明了鍍nifbg的波長漂移、應(yīng)力和應(yīng)變與溫度變化成線性關(guān)系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關(guān)系。用an-sys軟件對鍍nifbg在溫度變化時的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了仿真。理論分析得到鍍層厚度為4.56μm的鍍nifbg的溫度靈敏度為14.3306pm/℃,實(shí)驗(yàn)值為14.113pm/℃。理論、實(shí)驗(yàn)和仿真得到了一致的結(jié)果。

介紹了光纖布拉格光柵傳感器測溫的基本原理以及一些布拉格光纖的封裝方法,在此基礎(chǔ)之上探討了一種新型的布拉格光纖光柵的封裝方法即用鋼條對布拉格光纖光柵進(jìn)行封裝,并通過實(shí)驗(yàn)對祼光柵和封裝后光柵的溫度特性進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)采用了恒溫水浴裝置,在25℃至70℃溫度范圍使用了中心波長為1530.5nm的光纖布拉格光柵進(jìn)行測量.先進(jìn)行了祼光柵的測量,在光柵封裝之后又進(jìn)行了測量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光纖光柵在封裝之后溫度靈敏度為裸光柵的2.5倍.其線性擬合度達(dá)到0.996.

對采用光纖布拉格光柵(fbg)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測某飛機(jī)機(jī)翼盒段外加載荷位置信息進(jìn)行了研究。研究了fbg傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器失效對外加載荷位置識別精度的影響程度;針對傳統(tǒng)fbg傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性低的缺點(diǎn),引入光開關(guān),設(shè)計(jì)了一種具有更高可靠性的傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并對這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,新傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性明顯高于傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性。單個傳感器的失效概率不同,兩種傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性差別也不同;當(dāng)單個元器件的失效概率在0.001~0.01之間變動時,若系統(tǒng)允許外加載荷位置識別誤差在5mm內(nèi),則新傳感器網(wǎng)絡(luò)的失效率降為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)失效率的50%;若系統(tǒng)允許外加載荷位置識別誤差在10mm內(nèi),則新傳感器網(wǎng)絡(luò)的失效率至少降低為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)失效率的12.5%。

推導(dǎo)并驗(yàn)證了非啁啾取樣光纖布拉格光柵(sfbg)反射譜中反射峰值波長的表達(dá)式。基于種子光柵中心波長對應(yīng)的折射率調(diào)制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調(diào)制函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度和各階光柵周期,從而導(dǎo)出其反射峰值波長的表達(dá)式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)參量,因而表達(dá)式能夠描述反射峰的分布。仿真實(shí)驗(yàn)中,不同占空比或取樣周期下計(jì)算出的反射峰值波長、信道間隔符合數(shù)值反射譜。該表達(dá)式既適用于均勻取樣光纖布拉格光柵,也適用于交流切趾和交直流切趾取樣光纖布拉格光柵。

根據(jù)彈性力學(xué)和邊界條件,得出了光纖布拉格光柵(fbg)傳感器應(yīng)變測量值與基體材料實(shí)際應(yīng)變的關(guān)系方程。通過裸光柵直埋基體材料界面?zhèn)鬟f的特征系數(shù),可表征和計(jì)算fbg檢測應(yīng)變與測點(diǎn)實(shí)際應(yīng)變的誤差及修正系數(shù)。并對固化于cfrp的fbg變傳感特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:fbgbragg波長對應(yīng)變表現(xiàn)出很好的線性和重復(fù)性。用電阻應(yīng)變儀對fbg傳感器應(yīng)變傳感特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比標(biāo)定,得出了表征fbg性能的應(yīng)變傳感靈敏系數(shù)。fbg傳感器具有優(yōu)異的應(yīng)變傳感特性,為先進(jìn)智能復(fù)合材料的研發(fā)與應(yīng)用提供了依據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)加速度信號的準(zhǔn)確測量,提出了一種新穎的雙懸梁fbg加速度傳感器。設(shè)計(jì)了傳感器的結(jié)構(gòu)及封裝方法,理論分析了傳感器的工作原理。實(shí)驗(yàn)研究了傳感器的線性響應(yīng)、溫度響應(yīng)、共振頻率和方向抗干擾特性,結(jié)果表明,傳感器的加速度響應(yīng)靈敏度為7.81pm/m/s2,相對誤差為2.62%,加速度與波長具有較好的線性關(guān)系,線性度為99.8%;在67.5～27.5℃內(nèi)進(jìn)行了溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),能有效消除溫度的影響;傳感器具有較好的平坦區(qū)和較強(qiáng)的抗干擾能力。

研制了一種金屬環(huán)封裝的單柱體芯軸式光纖布拉格光柵(fbg)振動傳感器,搭建了基于非平衡邁克耳遜干涉儀相位載波調(diào)制(pgc)解調(diào)技術(shù)的fbg振動傳感器解調(diào)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了低頻振動信號的高精度實(shí)時解調(diào),并分析了各參數(shù)對傳感器諧振頻率和靈敏度等特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,研制的fbg振動傳感器諧振頻率為388hz,在10～200hz頻率范圍內(nèi),傳感器的加速度靈敏度約為81pm/g,且加速度響應(yīng)平坦,起伏小于1db,與理論分析結(jié)果基本一致。研制的振動傳感器可實(shí)現(xiàn)200hz以下低頻振動信號的實(shí)時檢測,解調(diào)系統(tǒng)的波長檢測精度為1.07×10-3pm,最小可檢測加速度為1.3×10-5g。

設(shè)計(jì)了一種基于雙光纖布拉格光柵的新型流速傳感器,它包括雙光纖光柵壓強(qiáng)傳感機(jī)構(gòu)和文丘里管。導(dǎo)出了雙光纖布拉格光柵的波長漂移差與流速的關(guān)系。壓強(qiáng)傳感機(jī)構(gòu)中的密閉鋁箔管橫截面兩邊的壓力差導(dǎo)致等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個布拉格光柵的波長漂移差,得到被測流體的流速。雙光纖布拉格光柵通過補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。該流速傳感器的動態(tài)測量范圍為8～200mm/s。實(shí)驗(yàn)表明,雙光纖布拉格光柵的中心波長隨流速的增加分別向長波和短波方向漂移,而帶寬幾乎不變,實(shí)驗(yàn)和理論符合得較好,該設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的。