光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)應(yīng)變傳感系統(tǒng)因其獨(dú)特的優(yōu)勢，已在各行各業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用中，傳感系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不同程度的性能退化、進(jìn)而產(chǎn)生各種類型的故障，嚴(yán)重影響其推廣效果。這使得系統(tǒng)的可靠性成為了用戶最關(guān)注并亟待解決的共性難題。但因其牽涉面廣、技術(shù)難度高，且耗時(shí)費(fèi)力、極難在理論上取得突破，因而難以受到研究人員足夠的重視，是光纖傳感研究領(lǐng)域最薄弱的環(huán)節(jié)。
　　要在FBG應(yīng)變傳感系統(tǒng)可靠性研

2、究上取得突破，就必須從傳感器和解調(diào)儀這兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手，從傳感器與信號解調(diào)的基本原理出發(fā)，深入研究FBG傳感元件在各種惡劣環(huán)境中的性能變化規(guī)律，研究傳感器封裝與安裝的應(yīng)變傳遞特性，研究解調(diào)方法的魯棒性、評估解調(diào)結(jié)果的可信性。這既能為FBG傳感器的制造企業(yè)提供指導(dǎo)，也可以為FBG傳感器的用戶提供使用幫助，對促進(jìn)FBG傳感技術(shù)、國民經(jīng)濟(jì)和國防事業(yè)的發(fā)展都具有重大的意義。
　　為此，本文從FBG傳感元件、應(yīng)變傳遞和傳感解調(diào)三大方面開展了

3、深入研究，主要的研究內(nèi)容如下：
　?、贋榱颂峁┭芯縁BG可靠性基本的理論與方法，總結(jié)分析了FBG結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，提出了從光化學(xué)反應(yīng)角度理解FBG折射率變化的思想；基于耦合模理論和傳輸矩陣法，推導(dǎo)了FBG光譜的仿真方法；總結(jié)分析了FBG光譜特征指標(biāo)。
　　②全面探索了FBG傳感元件在力學(xué)、溫度、和輻照環(huán)境中的性能變化規(guī)律。針對軸向、橫向作用力對FBG傳感特性影響研究歸納不全面的問題，分別推導(dǎo)了軸向、橫向受力對FBG光譜的影響模

4、型，仿真了分析軸向、橫向作用力對FBG光譜影響的規(guī)律，并提出了確保FBG可靠傳感的許用條件。針對彎曲對FBG傳感特性影響機(jī)理不明確的問題，建立了彎曲對FBG光譜的影響模型，并結(jié)合此模型給出了確保FBG可靠傳感的彎曲條件。針對長期作用力下FBG光譜惡化機(jī)理與規(guī)律不明確的問題，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)得出了長期作用力下FBG光譜的惡化機(jī)理及惡化規(guī)律。針對溫度使用壽命不明確的問題，建立了FBG溫度壽命預(yù)測模型，并結(jié)合高溫加速老化實(shí)驗(yàn)，低溫持續(xù)實(shí)驗(yàn)和

5、高低溫沖擊實(shí)驗(yàn)預(yù)測了FBG在常規(guī)應(yīng)用溫度環(huán)境(-40~80℃)下的壽命。針對輻照影響機(jī)理不明確的問題，建立了輻照對FBG光譜的影響模型，利用該模型揭示了輻照實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)Bragg波長漂移差異性的機(jī)理。
　　③為了全面探討FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳遞特性，建立了廣義的應(yīng)變傳遞模型，統(tǒng)一了目前形式各異的應(yīng)變傳遞模型。針對目前應(yīng)變傳遞特性研究存在的局限性，全面分析了粘接層對平均應(yīng)變傳遞效率和FBG光譜的影響。在平均應(yīng)變傳遞效率方面，基于FB

6、G應(yīng)變傳遞簡化模型推導(dǎo)了四種FBG應(yīng)變傳遞形式的平均應(yīng)變傳遞效率，然后具體分析了粘接層材料特性和幾何特征對FBG平均應(yīng)變傳遞效率的穩(wěn)定性和一致性的影響，并給出了解決穩(wěn)定性和一致性的方法。在FBG光譜受粘接層的影響方面，建立了粘接層橫向應(yīng)力對FBG光譜的影響模型，通過仿真及實(shí)驗(yàn)探究了其影響規(guī)律，并給出避免FBG光譜因其發(fā)生畸變的方法。另外，從理論和實(shí)驗(yàn)上探討了粘接層惡化對光譜信號的影響機(jī)理與規(guī)律。
　?、転榱藘?yōu)化FBG解調(diào)軟件的解調(diào)

7、算法、提升其魯棒性，從傳感系統(tǒng)的實(shí)際情況出發(fā)，建立了FBG測量光譜的惡化模型，更加全面地刻畫了由FBG傳感器惡化形成的光譜畸變、FBG傳感系統(tǒng)引入的干涉噪聲、基線噪聲和高斯噪聲。在此基礎(chǔ)上，分析了光譜噪聲對目前有代表性的解調(diào)算法的影響，并相應(yīng)地提出了提高解調(diào)算法魯棒性的改進(jìn)方案。最后通過分析光譜畸變對解調(diào)算法的影響，發(fā)現(xiàn)了利用光譜的黃金邊模抑制比進(jìn)行解調(diào)結(jié)果可信性評估的方法，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了方法的有效性，這解決了目前在實(shí)際應(yīng)用中無法得知