光学低相干反射技术在FBG检测中的应用研究

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FBG(Fiber Bragg Grating,光纤布拉格光栅)是现代光纤传感领域最常见的光学元件之一,目前被广泛应用于大型建筑的结构健康监测等领域。通常利用FBG的反射谱中心波长(Bragg波长)变化与应变等外界物理量的变化呈线性相关的特性实现传感,主要检测方法有反射谱法、滤波器法和干涉法等。光学低相干反射技术(OLCR,Optical Low Coherence Reflectometry)是一种新型的光学检测技术,可进行FBG反射谱的检测,实现FBG的传感解调,尤其当待测物理量较为复杂时,如受非均匀应变时,可进一步结合剥层算法等重构方法,解算FBG非均匀应变分布。可见,OLCR技术为FBG检测提供了重要的研究手段,本文以此为研究对象,主要研究工作如下:首先,总结分析了FBG传感解调技术研究现状及OLCR技术在FBG检测中的应用,明确了课题研究内容和目标;基于光传输理论,对FBG传感原理进行研究,并建立了FBG的应变传感模型;给出了FBG应变解调和重构的原理和方法。接着,基于OLCR工作原理,详细阐述了OLCR应用于FBG检测的方法,尤其是结合剥层算法实现非均匀应变检测的方法;设计并构建了一套用于FBG检测的OLCR-FBG动态扫描检测系统,采用平衡探测结构和高精度气浮平移台等改进OLCR系统性能;详细给出了系统硬件模块,自行开发了基于Lab VIEW的系统软件控制程序和数据处理算法,实现人机交互界面良好。然后,对OLCR-FBG检测系统进行性能测试,实验获取平衡和非平衡探测结构下、步进平移台和气浮平移台的系统干涉信号,结果表明采用平衡探测结构的信号在被放大的同时,噪声也得到很好的抑制,高精度气浮平移台削弱了振动的影响,保证了数据的可靠性;设计制作了悬臂梁调谐机构用于FBG应变测试以验证系统,等强度梁调谐FBG均匀应变测试实验,获得良好的反射光谱,Bragg波长重复性小于10pm,均匀应变检测的最大误差小于20uε,矩形梁调谐FBG非均匀应变测试实验,获得了不同线性应力与FBG反射谱间的关系,结果表明初步实现的FBG非均匀应变重构,其分布趋势基本正确。
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