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光纤光栅在光通信和传感领域越来越受到人们的重视,特别是近二十年以来,社会投入很大的财力和人力,以致光纤光栅的研究在近期取得了很大的发展,也已经成功的应用于实际。光纤光栅在现代光通信中已经取得了无法替代的作用,这也更加推动了光纤光栅的研究和开发,各类光纤光栅相继出新,花样繁多,功能也不同,适合于不同的场合。
光纤光栅传感器以其独特的优点越来越受到青睐。光纤光栅传感器具有不受电磁干扰、灵敏度高、体积小重量轻、易于复用、耐腐蚀等优点,特别是它以波长承载传感信息,免受光源等因素的影响这一特点更是传统传感器望尘莫及的。光纤光栅传感器这些优点使它在传感领域占有了一席之地,现在已成功的应用于桥梁建设、油井监测、航天器等诸多领域。
本文主要以布拉格光纤光栅(FBG)为研究对象,对其基本性质和传感特性进行了理论研究和仿真。主要内容包括:
对光纤光栅传感器的发展及应用做了综述,列出了一些有代表性的解决应变-温度交叉敏感效应的方案。利用耦合模理论和传输矩阵理论分析了布拉格光纤光栅(FBG)的光谱特性并进行了仿真。
对布拉格光纤光栅(FBG)传感器的基本传感原理作了理论分析,重点分析了布拉格光纤光栅(FBG)侧面受力的情况。
对布拉格光纤光栅(FBG)侧面受力的情况及光栅F-P(Fabry-Perot)腔作了理论分析和仿真,重点对布拉格光纤光栅(FBG) 中间部分横向局部受力的情况进行了详细的分析、仿真和讨论。讨论发现,横向局部受力光纤光栅反射谱出现的透射缺口是未受力段子光栅引起的光栅F-P腔效应产生的,这将对以后的研究和光谱的检测有指导性作用。最后在前人的基础上,提出了自己设计的传感器模型,通过仿真发现,此模型可同时对温度和压力进行测量。
该模型封闭在刚性细管中,只有中间小部分受到外界压力的影响,其它部分只受到外界温度的影响,不受其他外界因素的影响。当温度不变而压力变化时,布拉格光纤光栅(FBG)反射光谱中出现一个窄带透射缺口,并随压力的变化而周期性变化,通过变化的大小可以求出压力变化的大小,由于这种周期性的变化,在其他条件相同且光栅不受到破坏的情况下,可以测得更大的压力。当压力不变而温度变化时,整个布拉格光纤光栅(FBG)反射光谱将整体平移,中心反射波长的变化承载了温度变化的信息。最后,通过测量二者的变化,可以求出布拉格光纤光栅(FBG)处受到的压力大小和温度值。
由于压力和分裂点波长的变化是多对一的关系,所以给检测带来麻烦,这还需要进一步的讨论。