基于光波和光子微波技术的光纤光栅流速传感器研究

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近年来,光纤传感器已经应用到生产生活等很多领域,其中包括桥梁或隧道、水利水电等需要进行安全监测的设施中,光纤传感器之所以能够如此迅速的发展,是因为与传统的电传感器相比,光纤传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰等诸多优势。本论文从光波检测和光子微波检测两个方面对光纤光栅流速传感器进行了研究,内容分为四个部分:首先对光纤传感器的基本概念和其分类进行了具体的阐述,并对微波光子学的相关概念和应用做了简要的介绍。第二部分对光纤传感器中的重要一类—光纤光栅传感器做了详细的介绍。其中包括光纤光栅的写制、结构和传感原理、光纤光栅传感器的传感原理,针对光纤光栅温度或应变传感实验,对光纤光栅的三种传感模型(温度传感模型、应变传感模型、温度—应变交叉传感模型)进行了详细的分析。第三部分提出了基于变宽度悬臂梁的光纤光栅流速传感器,以光纤光栅为传感基元,传感部分由不锈钢材质的悬臂梁和粘贴在其特定位置上的光纤布拉格光栅构成,悬臂梁采用等腰梯形和矩形相结合的外形结构设计,传感头两部分之间的衔接不需要用销子固定,整个传感头浑然一体,无额外附加重量,制作方法简易,且实验设置参考光栅,实验结果不受温度变化的影响。实验表明,该传感器的布拉格波长漂移量与流速变化有很好的线性关系,该传感器的灵敏度为0.025m/s。可测流速范围为0~2m/s,通过设计,该传感器不仅实现了对温度的补偿,而且提高了测量精度、灵敏度。最后一部分以微波光子学技术为依托,设计了基于微波相移的光纤光栅传感器结构,通过对实验所得数据进行拟合,得到砝码质量与波长漂移量成正比以及砝码质量与微波相移量成正比的关系。
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