对同轴电缆布拉格电栅传感特性的研究

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目前,光纤光栅传感器被广泛应用于结构健康监测系统中。然而现有的光纤光栅传感器在实际应用中仍存在许多问题。本文采用同轴电缆作为传感媒介,借助同轴光子晶体的结构方式和光纤布拉格光栅的原理,提出了同轴电缆布拉格电栅这一概念。同轴电缆布拉格电栅内传播的电磁波,经过周期性阻抗不连续结构发生反射,其特性相似于光纤布拉格光栅,然而相比光纤光栅,电栅具有更大的尺寸、可以承受更大张力的特点,弥补了光纤光栅易碎、可测应变小的缺点。  同轴电缆布拉格电栅,是一种光纤布拉格光栅的特性与概念实现于同轴电缆的新型器件,它具有类似于光栅的传输和反射特性,同时更是具有光纤所没有的承受大应变能力,在大应变传感的领域中有望占有一席之地。然而,国内外鲜有针对电栅系统的理论研究和仿真。首先,通过传输线和模式耦合理论对电栅基本原理进行了阐述,研究了电栅效应的机理。最后,介绍了同轴电缆布拉格电栅的基本结构,并采用传输线理论对电栅的反射系数进行了推导。  进一步使用了Ansoft HFSS电磁仿真软件对电栅进行了建模和仿真,比较了仿真结果与分析结果的异同。Ansoft HFSS以有限元分析法作为其数值求解电磁场的基础,凭借友好简洁的设计界面、强大的分析性能和后处理器,可以对任意形状的三维结构进行电磁场分析。在仿真过程中,先后进行了不同周期数、不同周期长度、不同钻孔条件等情况下的仿真;对电栅特性进行了参数优化,减小了线宽,提高了传感精度。  最后,通过实验室制作电栅,搭建系统实验,最终的实验结果与仿真结果进行了对比,对比结果谱频率特性基本一致,表明可以以仿真结果作为参考,对电栅特性进行参数优化。同轴电缆布拉格电栅在大应变传感方向有很好的应用前景。
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