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，并對信息進行處理和識別的一門多學科交叉的現(xiàn)代科學，它與通信技術(shù)、計算機技術(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、非線性光學、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、信號處理技術(shù)等多個學科和領域。隨著傳感技術(shù)的深入研究與應用，光纖光柵傳感技術(shù)正要向著網(wǎng)絡化、智能化和實用化方向發(fā)展，傳感解調(diào)技術(shù)也將向著高速度、高精度和分布式測量等方向發(fā)展。
　　 本文在調(diào)研光纖傳感的特點和其在

2、軍事、民用領域的應用以及國內(nèi)外研究進展的基礎上，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，以及今后研究的方向與待解決的技術(shù)難點；依據(jù)耦合模理論分析方法研究了光纖光柵的光學特性和傳感機理；總結(jié)了光纖光柵的分類及各類型光纖光柵的制作方法；對多種光纖光柵傳感器和解調(diào)方案進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究，設計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。其主要研究工作和創(chuàng)新成果（黑體部分）如下：
　　 針對

3、光纖光柵傳感技術(shù)實用化中的交叉敏感問題，設計了漸變型等強度懸臂梁結(jié)構(gòu)，研究其對光纖光柵調(diào)諧的溫度補償機理，實驗驗證了該懸臂梁對光纖光柵線性、無啁啾的調(diào)諧和溫度補償。采用漸變型懸臂梁調(diào)諧光纖布拉格光柵（FBG），通過測定光柵反射譜雙峰的位置，使用一根光柵實現(xiàn)了應力和溫度雙參量同時傳感測量。應力和溫度傳感的靈敏度分別為KF=0.125nm/N和KT=0.0124nm/℃。
　　 設計并實現(xiàn)了基于帶寬檢測的啁啾光纖光柵位移傳感器，通過

4、測定啁啾光柵反射譜帶寬實現(xiàn)位移的測定，位移傳感的靈敏度為K=0.05nm/mm。
　　 設計并實現(xiàn)了基于光強檢測的啁啾光纖光柵位移傳感器。該系統(tǒng)利用電路方法測定光強，提高了測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化學濃度傳感器，對丙二醇溶液濃度的測量進行了實驗研究，分析了溫度敏感對化學濃度的影響及其去敏方法。通過測定溶液折射率的變化實現(xiàn)其對濃度的檢測。
　　 設計并實現(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）等機械結(jié)構(gòu)的使用，大大提高了系統(tǒng)速度和可重復性，對溫度的測量精度可達0.1℃。分析了外界環(huán)境對M-Z結(jié)構(gòu)的影響，并提出以LiNbO3波導器件克服環(huán)境對干涉器件影響的改進方案。
　　 設計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，實現(xiàn)對測量范圍和系統(tǒng)分辨率的調(diào)控，并能通過軟件自動測定其結(jié)構(gòu)參數(shù)。系統(tǒng)在解調(diào)范圍大于1nm時，分辨率小于1pm，測量精度小于±1pm。
　　 設計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)對輸出光強與波長對應關系的影響，并搭建實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)保偏光纖長度、保偏光纖主軸角度，實現(xiàn)對測量范圍和系統(tǒng)分辨率的調(diào)控，在解調(diào)范圍大于1 nm時，分辨率小于1pm，測量精度小于±1pm。