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随着光纤光栅制造技术的不断完善,应用成果的日益增多,光纤光栅成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。自从1978年,K. O. Hill等人在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界上第一只光纤Bragg光栅以来,由于具有可靠性好、传感头结构简单、尺寸小、抗电磁干扰、抗腐蚀、能在恶劣环境下工作、可复用性强、可构成分布式光纤传感网络等优点,以光纤Bragg光栅作为传感元件的光纤传感器在传感领域受到越来越广泛的重视。它极大地拓宽了光纤技术的应用范围,在民用工程、航天航空、船舶航运、石油化工、电力、医学等领域得到广泛的应用。
本文分两部分,第一部分(第一至第二章)是论述性的,主要介绍光纤Bragg光栅原理和相关工艺技术,作为本文理论和实验工作的铺垫。第二部分(第三至第五章)为本硕士论文的研究工作,主要内容如下:
1.由于裸光栅纤芯极细,质弱,抗剪力性能差,易受损等缺点,所以在实际工程应用中必须对光纤光栅进行封装。封装分为保护性封装和功能增强型(即增敏)封装。本文在分析了光纤Bragg光栅的温度传感特性和应变传感特性基础上,提出了一种采用辐射交联聚乙烯对光纤Bragg光栅进行增敏封装的方法和工艺,不仅能起到保护光栅的作用,还提高了光栅的波长调谐范围,同时光栅的温度灵敏度和应变灵敏度也有很大的提高。
2.由光纤Bragg光栅波长带宽调谐原理出发,利用材料力学理论,得出了根据光纤Bragg光栅粘贴在简支梁和圆环梁上位置的不同,可以实现无啁啾调谐和中心波长不变的啁啾带宽线性调谐。与其他的调谐方法相比,使用圆环梁调谐的最大优点是不需改变梁的受力方式,而只需转动圆环梁即可分别实现无啁啾的中心波长调谐和无中心波长偏移的啁啾带宽调谐。基于这种圆环梁调谐结构可以制作可调谐啁啾光纤光栅和温度不敏感的光纤光栅位移传感器。
3.对辐射交联聚乙烯封装的光纤Bragg光栅传感器,将其应用到建筑工程实验中的新吹填区桩基负摩擦性状测量,进行应变测量,并与裸光纤Bragg光栅传感器以及传统的电阻应变片测量结果进行了对比。从而原理性地模拟分析了光纤Bragg光栅传感器在实际工程中的应用效果。