微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感理论

研究单端腐蚀光纤布拉格光栅(fbg)在低折射率区(约1.333～1.360)对折射率与温度同时测量的理论模型,分析其主要结构参数对折射率灵敏度和线性度的影响,建立相应的线性近似理论和误差分析方法。理论仿真结果表明,可通过减小腐蚀区的直径或选择光栅周期较大的fbg制作传感器来提高折射率灵敏度,但这同时会降低传感器的线性度及增大折射率灵敏度的理论误差。在此理论分析基础上,设计并制作一个单端腐蚀fbg,进行相应实验研究,实验结果与仿真结果一致。

提出一种通过布拉格光纤光栅传输谱线计算其纤芯直径和折射率的方法.实验中采用较短波长的相位掩模板及紫外光照射载氢的单模光纤来写布拉格光栅.通过测量lp01模与反向传输的lp01、lp02模耦合所对应的损耗峰,并将对应的两中心波长分别带入色散方程,来计算同时满足布拉格光栅相位匹配条件的解,即可求出该光纤光栅纤芯直径和折射率.这种方法为测量光纤光栅参数提供了一种新的途径.

提出了一种基于fpga与dsp平台的光纤布拉格光栅传感分析仪,将外界参量的变化转化为光纤布拉格光栅波长的偏移,通过数据采集、过滤杂波、信号波峰检测、高斯曲线拟合以及加权波长计算等关键步骤来实现波长解调技术,进而完成温度、应变、压力或位移等对象的在线测量,并且可以实现光纤线路故障分析与定位的功能。实验结果表明:该系统功耗低、线性度好、波长解调精度与分辨率较高。经过长期测试,系统软硬件运行稳定可靠。

利用复模式耦合模理论分析了基于闪耀光纤布拉格(bragg)光栅功率检测的折射计中不同设计参数对折射计性能的影响。利用完全匹配层(pml)技术简化了辐射模分析模型。分析结果表明,随着光栅倾斜角度的增大,折射计的感应范围向折射率较小的方向移动。随着光栅长度以及折射率调制强度的增大,折射计的灵敏度增大,但折射率感应范围不变。同时这种折射计具有偏振依赖性,随着光栅倾斜角的增大偏振依赖性提高。因此在这种传感系统中需要引入精确且稳定的偏振控制。

研究了具有高双折射的光子晶体光纤(hbpcf)中均匀布拉格光栅(fbg)的光谱特性。利用紧凑的超格子模型,对光子晶体光纤的传输特性进行分析,研究正向传输和反向传输的模式之间的耦合规律,从而研究写入光子晶体光纤中的均匀布拉格光栅的特性。首先给出具有c6v对称性的零双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的布拉格波长λb随光纤结构参量的变化规律;然后分析一种高双折射光子晶体光纤中的光纤布拉格光栅的光谱特性,高双折射使两个不同偏振态的反射峰分开较大;最后分析了一种常用的双模双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的光谱特性,lp01模和lpe11模的两个偏振态对应的反射谱都由于高双折射而分开。

由法拉第效应原理,通过测量磁场引起光纤布拉格光栅(fbg)的偏振相关损耗(pdl),可以测得磁感应强度大小。fbg中线双折射的存在,同样改变了光的偏振特性,仿真并实验验证了fbg固有偏振相关损耗的特点。利用琼斯矩阵法理论推导了fbg在既有双折射又有磁场影响时,输入线偏振光偏振态的变化规律。通过对偏振相关损耗与线偏振光起偏角和双折射大小的仿真分析可知,不同起偏角的线偏光对线双折射的敏感度不同。在线双折射的影响下,偏振相关损耗峰值随起偏角大小呈周期性变化,对磁场测量的灵敏度产生影响,而与磁感应强度的线性关系并未发生变化。

根据耦合模理论和琼斯矩阵与斯托克斯矢量的关系给出单模均匀光纤布拉格光栅(fbg)反射和透射斯托克斯参量公式,数值模拟出低双折射单模光纤均匀fbg在不同双折射值下反射和透射斯托克斯参量随波长变化的曲线。结果显示4个归一化斯托克斯参量中,s1关于中心波长λ0呈反对称分布,s0,s2和s3关于λ0呈对称分布;双折射值增大谱线不产生漂移,但谱线反射带宽变窄,反射信号与透射信号斯托克斯参量振幅均有不同程度的变化,表明双折射值对斯托克斯参量的影响非常显著。测出单模光纤均匀fbg反射和透射斯托克斯参量随波长变化曲线,理论分析与实验结果基本符合。

两电流产生的电磁力使等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布拉格光栅的布拉格波长漂移。通过检测两个布拉格光栅的波长漂移差,得到被测电流。双光纤布拉格光栅通过补偿温度效应,解决了光纤布拉格光栅传感器的交叉敏感问题。垂直放置的等腰三角形悬臂梁,确保光纤光栅在传感过程中不出现啁啾现象,又避免了自身重量和导线重量对测量结果的影响,从而减少了测量误差。该系统传感灵敏度为0.097nm/a,与理论值的相对误差为3.38%,结果表明该传感器结构是可行的。

提出了基于可调激光器和声光脉冲调制的光纤布拉格光栅(fbg)传感系统,同时利用掺铒光纤放大器(edfa)和拉曼放大相结合的放大方案大幅度提高了光纤布拉格光栅传感系统的传输距离,达到了300km的超长距离传感。该系统通过前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源来补偿光纤布拉格光栅反射的光功率。系统在低于275km长度时获得了大于15db的优良信噪比;在300km处获得了4db的信噪比,以及明显的反射信号。系统在100,200,250,300km处的静态应变实验中,线性度均达到了0.999以上。系统可望在铁道、输油(气)管道、海岸线等的超长距离遥测中得到广泛应用。

载流导线在磁场中产生的电磁力使等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布拉格光栅(fbg)的布拉格波长漂移。通过检测2个fbg的波长漂移差,得到被测磁场的磁感应强度。双fbg通过补偿温度效应,解决了fbg传感器的交叉敏感问题。垂直放置的等腰三角形悬臂梁,确保fbg在传感过程中不出现啁啾现象,又避免了自身重量和导线重量对测量结果的影响,从而减少了测量误差。该系统传感灵敏度为1.11nm/t,与理论值的相对误差为4.31%,结果表明,该传感器结构是可行的。

为了研究镀ni光纤布拉格光栅(fbg)的温度灵敏度,根据镀nifbg的特点,分析了镀nifbg温度变化时的应力应变,从理论上推导出镀nifbg的温度灵敏度公式并通过实验进行了验证,用理论证明了镀nifbg的波长漂移、应力和应变与温度变化成线性关系,分析了镀nifbg的温度灵敏度与镀层厚度的关系。用an-sys软件对镀nifbg在温度变化时的应力应变进行了仿真。理论分析得到镀层厚度为4.56μm的镀nifbg的温度灵敏度为14.3306pm/℃,实验值为14.113pm/℃。理论、实验和仿真得到了一致的结果。

阐述了光纤布拉格光栅的几种解调方法及实验原理框图,并介绍了各种解调方法的优缺点。

介绍了光纤布拉格光栅传感器测温的基本原理以及一些布拉格光纤的封装方法,在此基础之上探讨了一种新型的布拉格光纤光栅的封装方法即用钢条对布拉格光纤光栅进行封装,并通过实验对祼光栅和封装后光栅的温度特性进行了研究.实验采用了恒温水浴装置,在25℃至70℃温度范围使用了中心波长为1530.5nm的光纤布拉格光栅进行测量.先进行了祼光栅的测量,在光栅封装之后又进行了测量.实验结果表明,光纤光栅在封装之后温度灵敏度为裸光栅的2.5倍.其线性拟合度达到0.996.

光纤布拉格光栅(fbg)传感器是智能金属结构首选的信息传输与传感的载体,埋入金属材料内部的fbg传感器必须要经过适当保护,金属镀层是最有效的保护方法之一。fbg经过镀前预处理,通过化学镀方法可获得均匀的金属保护镀层。针对金属保护镀层,应用弹性力学基本原理分析了由于镀层与fbg传感器的热膨胀系数不同而产生的热应力,建立了镀层厚度对fbg温度传感性能影响的数学模型。镀镍fbg的升温和降温传感实验表明,升温时的实际温度灵敏度系数与模型值之间误差为6.22%,降温时的实际温度灵敏度系数与模型值之间误差为6.75%。与裸fbg相比,化学镀镍后的fbg温度灵敏度系数提高1倍多。结果表明该温度模型从理论上解释了镀层金属热应力对fbg起到的温度增敏作用。

提出了一种基于级联长周期光纤光栅的光纤布拉格光栅解调系统。级联长周期光纤光栅作为边沿滤波器,利用它的一个线性区监测单个光纤布拉格光栅传感信号。该系统具有结构简单、价格低等优点,但易受光源抖动及系统其他不稳定因素等带来的系统噪声的影响。为消除系统噪声带来的不利影响,对该系统进行了改进。改进系统利用级联长周期光纤光栅的两个线性区同时监测两个光纤布拉格光栅传感信号。分别用原系统及其改进系统对温度进行监测,实验的温度测量范围为-70～-115°c。原系统的灵敏度为0.49mv/°c,温度分辨率为0.5°c;改进系统的灵敏度为0.86mv/°c,温度分辨率为0.3°c。实验结果表明改进系统能有效消除系统噪声,提高系统的精度。

从布拉格光栅方程出发,理论上分析了在温度、应变双参量同时测量时,考虑温度-应变交叉灵敏度、二阶应变灵敏度和二阶温度灵敏度情况下,温度和应变测量的误差的一般数学公式.结合实验数据进行了温度和应变的误差计算,得出3个二阶灵敏度在不同的温度变化、应变范围内对测量误差的贡献不同.同时给出了波长的漂移量与温度、应变呈线性关系时,温度变化和应变的范围.

将长周期光纤光栅(lpg)和光纤sagnac环相结合,实现了折射率和温度的同时测量。首先利用二氧化碳激光器在保偏光纤上制作了长周期光纤光栅(pm-lpg),然后把该pm-lpg和普通单模光纤耦合器组成sagnac环,作为传感单元。实验选择其某一透射峰作为测试对象,其波长随温度变化,强度随折射率变化,因此可实现两个参量的同时测量。实验获得的温度灵敏度为-0.654nm.℃-1,折射率灵敏度为49.9db.riu-1。整个实验系统成本低、简单实用,具有较好的应用前景。

光纤传感器作为一种线性的测试仪器,应用于岩土工程领域时,较传统传感器有更多的优越性和更加广泛的应用前景。介绍了光纤bragg传感器的工作原理及应用,并通过混凝土试件的加载试验,对fbg应变传感器和电阻应变计量测混凝土的应变测量进行了比较。提出准分布式光纤光栅传感器在现场应用及实验室中将得到更加广泛的应用。

基于光纤布拉格光栅传感器的基本原理,对在土木工程中的应用作了详细的阐述;为进一步了解其性能,对布拉格光栅应变传感器进行了抗电磁干扰、抗零飘、重复性等性能进行测试,并与传统的电阻应变片做了对比,显示了令人满意的效果,为工程健康监测应用指出了广阔的前景。

基于光纤布拉格光栅传感模型,提出了一种悬臂梁与波登管相结合的光纤光栅压强传感器的组合设计,推导了光纤布拉格光栅中心波长偏移量与压强之间的解析关系式。理论和实验结果表明,压强调谐光纤布拉格波长的灵敏度系数的理论值与实验值分别为0.2246nm/mpa、0.2218nm/mpa,在0~6mpa测压范围内,调谐范围为1.35nm.

根据理想模展开下的耦合模方程,对光纤布拉格光栅的峰值反射率公式进行了数学推导,得到了布拉格光纤光栅的光谱反射率表达式。全面讨论了光栅周期、光纤栅长、光致折射率微扰最大值等参数与光纤光栅反射光谱的关系。仿真结果显示了固定参数下布拉格光栅的极限窄带宽,得到的反射率为1、带宽为0.02nm的窄带宽布拉格光栅,比现今分布式传感系统中使用的布拉格光栅的带宽窄1个数量级。这种布拉格光纤光栅用于分布式传感系统,可大大提高分布式传感系统中光源的带宽利用率,消除各信号间的相互串扰,提高传感光栅复用数目,降低解调系统成本。

根据菲涅耳公式和功率反射系数关系式,分析纤芯失配型光纤传感器折射率传感原理;采用单模/多模光纤制作传感器,研究传感器输出光功率随甘油溶液折射率变化特征,并验证理论计算结果。表明媒质折射率n_2=1.300～1.441时,传感器输出光功率强且几乎不发生变化;n_2=1.441～1.452时,传感器输出光功率呈线性快速下降,其斜率为-155.91;当媒质折射率与单模光纤包层折射率接近时,传感器输出光功率几乎为0。验证实验发现,传感器线性快速下降的折射率范围为1.442～1.454,斜率为-49.67,其输出光功率随甘油溶液折射率变化规律与数值模拟结果基本一致。该传感器具有结构简单、成本低、传感系统全光纤化等特点,能用于有毒有害、易燃易爆等特殊环境下物质折射率的高精度测量。