基于光纖光柵的傳感和解調(diào)技術(shù)研究.pdf

1、光纖傳感器技術(shù)是通過傳感器從自然信源獲取信息，并對(duì)信息進(jìn)行處理和識(shí)別的一門多學(xué)科交叉的現(xiàn)代科學(xué)，它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。該技術(shù)涉及到激光技術(shù)、纖維光學(xué)、非線性光學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域。隨著傳感技術(shù)的深入研究與應(yīng)用，光纖光柵傳感技術(shù)正要向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化和實(shí)用化方向發(fā)展，傳感解調(diào)技術(shù)也將向著高速度、高精度和分布式測(cè)量等方向發(fā)展。
　　 本文在調(diào)研光纖傳感的特點(diǎn)和其在

2、軍事、民用領(lǐng)域的應(yīng)用以及國內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，研究了光纖光柵傳感技術(shù)：分析了光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)的優(yōu)、劣勢(shì)，以及今后研究的方向與待解決的技術(shù)難點(diǎn)；依據(jù)耦合模理論分析方法研究了光纖光柵的光學(xué)特性和傳感機(jī)理；總結(jié)了光纖光柵的分類及各類型光纖光柵的制作方法；對(duì)多種光纖光柵傳感器和解調(diào)方案進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了四種傳感器和三種解調(diào)結(jié)構(gòu)，并成功構(gòu)建了光纖光柵無線傳感網(wǎng)絡(luò)。其主要研究工作和創(chuàng)新成果（黑體部分）如下：
　　 針對(duì)

3、光纖光柵傳感技術(shù)實(shí)用化中的交叉敏感問題，設(shè)計(jì)了漸變型等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)，研究其對(duì)光纖光柵調(diào)諧的溫度補(bǔ)償機(jī)理，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該懸臂梁對(duì)光纖光柵線性、無啁啾的調(diào)諧和溫度補(bǔ)償。采用漸變型懸臂梁調(diào)諧光纖布拉格光柵（FBG），通過測(cè)定光柵反射譜雙峰的位置，使用一根光柵實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力和溫度雙參量同時(shí)傳感測(cè)量。應(yīng)力和溫度傳感的靈敏度分別為KF=0.125nm/N和KT=0.0124nm/℃。
　　 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于帶寬檢測(cè)的啁啾光纖光柵位移傳感器，通過

4、測(cè)定啁啾光柵反射譜帶寬實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)定，位移傳感的靈敏度為K=0.05nm/mm。
　　 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于光強(qiáng)檢測(cè)的啁啾光纖光柵位移傳感器。該系統(tǒng)利用電路方法測(cè)定光強(qiáng)，提高了測(cè)量精度并降低了成本。位移傳感的靈敏度為K=0.58pm/mm。
　　 研究FBG化學(xué)濃度傳感器，對(duì)丙二醇溶液濃度的測(cè)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了溫度敏感對(duì)化學(xué)濃度的影響及其去敏方法。通過測(cè)定溶液折射率的變化實(shí)現(xiàn)其對(duì)濃度的檢測(cè)。
　　 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了

5、基于交叉相位調(diào)制（XPM）技術(shù)的鎖相光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)。采用XPM技術(shù)避免了壓電陶瓷（PZT）等機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用，大大提高了系統(tǒng)速度和可重復(fù)性，對(duì)溫度的測(cè)量精度可達(dá)0.1℃。分析了外界環(huán)境對(duì)M-Z結(jié)構(gòu)的影響，并提出以LiNbO3波導(dǎo)器件克服環(huán)境對(duì)干涉器件影響的改進(jìn)方案。
　　 設(shè)計(jì)了基于保偏型光纖環(huán)鏡的波長解調(diào)系統(tǒng)，分析了其輸入光波長和輸出光功率分配特性，進(jìn)行數(shù)值仿真并搭建了解調(diào)系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)保偏光纖長度、耦合器耦合系數(shù)、保偏

6、光纖主軸角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量范圍和系統(tǒng)分辨率的調(diào)控，并能通過軟件自動(dòng)測(cè)定其結(jié)構(gòu)參數(shù)。系統(tǒng)在解調(diào)范圍大于1nm時(shí)，分辨率小于1pm，測(cè)量精度小于±1pm。
　　 設(shè)計(jì)了采用保偏光纖和偏振分束器構(gòu)建干涉儀的傳感解調(diào)方案，仿真分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸出光強(qiáng)與波長對(duì)應(yīng)關(guān)系的影響，并搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)保偏光纖長度、保偏光纖主軸角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量范圍和系統(tǒng)分辨率的調(diào)控，在解調(diào)范圍大于1 nm時(shí)，分辨率小于1pm，測(cè)量精度小于±1pm。