张鹰[1]2005年在《光纤布拉格光栅传感器交叉敏感问题基础研究》文中认为本论文简要介绍了光纤传感器的发展状况和特点,同时对光纤光栅的发展、分类、制作方法进行了简单说明。从光纤光栅的耦合模理论入手,阐述了各类传感器的传感原理。通过实验对几种基于Bragg 光纤光栅的传感器进行了特性研究和实际验证。实验中,我们采用相位掩模法制备出了具有良好反射谱型的Bragg 光纤光栅。分析并验证了Bragg 光纤光栅的中心反射波长的漂移量与应力及温度的变化成线性关系,引入了“交叉敏感”的问题。我们提出一种新型的基于悬臂梁的双光栅测量方法,不但消除了交叉敏感的影响,而且大大提高了应力传感的灵敏度。此外还设计了一套分布式光纤Bragg 光栅传感系统,实验结果表明分布传感系统可以很好地完成点对点的测量,各点之间并不互相影响,并且可以通过补偿光栅来解决交叉敏感问题。我们将计算机与传感器相连,实现了对温度、应力或其他物理量的实时在线监测。该项研究对光纤光栅传感器的实际应用具有现实的指导意义。
王海平[2]2003年在《光纤Bragg光栅对在FBG型传感器中的应用》文中研究说明理论分析了光纤Bragg光栅温度和应力/应变测量的原理，测量了光纤Bragg光栅的温度和应力/应变响应特性。 利用光纤Bragg光栅对提出了一种波长探测与解调的新方法，对几种可能的解调方案进行了实验对比。新方法将波长移动的探测转化为相对光强极值的探测，避免了光纤Bragg光栅传感器中使用光谱仪等价格昂贵，体积庞大，使用不方便的光谱探测器件，有利于光纤Bragg光栅传感器的实用化。 理论分析了光纤Bragg光栅传感器温度和应力/应变的交叉敏感机制，利用温度和应变响应特性相同的光栅对实现了光纤Bragg光栅应力/应变传感器的温度补偿，利用温度和应变响应特性不相同的光栅对实现了温度和应力/应变的双参量同时测量，有效的消除了交叉敏感对光纤Bragg光栅传感器测量精度的影响。 基于新型波长探测与解调技术改进了光纤Bragg光栅传感器的空分复用系统，解除了光源带宽和单光栅线性调谐范围对分布式光纤Bragg光栅传感器系统复用路数的限制，降低了复用传感器系统对光源带宽的要求。
张洪波[3]2004年在《基于DSP的光纤Bragg光栅解调》文中研究表明光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)是目前最有发展前途、最具代表性的光纤无源器件之一。由于它能将被感测信息转化为其反射波长的偏移，即具有波长编码的特性，因而不受光源功率波动和系统损耗的影响。另外，光纤光栅具有可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点，易于将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现分布式传感，这是其他传感元件无法比拟的。因而近年来在光纤光栅传感方面的研究与应用已经越来越引起人们的重视。 然而，当前FBG传感技术研究领域的难点之一就是FBG的解调技术，目前国内不少部门和研究单位对其解调技术进行了很多研究，但是大多数处于实验室研究阶段，离实用化，工程化，产品化的标准还有相当距离。 本文在此基础上设计了一套基于DSP的分布式光纤Bragg光栅传感器波长解调系统。该系统采用可调谐光纤F-P(Fabry-Perot)滤波法对FBG波长变化进行解调，其中提供给F-P的驱动电压由TMS320VC5402 DSP的计数器经D/A转换产生。当透过F-P滤波器的光波长与Bragg反射波长重合时，就产生中断请求信号，DSP响应中断后就对有用的信息进行处理，进而得到相应被测参量的变化。 本文是一个涉及到光、机、电的复杂的研究体系，其所做的主要工作包括： (1)阐述了光纤Bragg光栅传感和解调基本原理，并系统地分析了影响光纤Bragg光栅波长的主要因素。 (2)提出了几种有较高研究价值的光纤光栅解调方案，并对这些方案进行了分析和比较，总结了各方案的优缺点。 (3)作为本课题的预备知识，对于本课题所用到的重要器件：TMS320V C5402 DSP芯片做了较系统地阐述和分析。 (4)选定了一套分布式FBG传感解调系统，即可调谐F-P滤波法。在此基础上对整个解调方案进行了细化，并对各子部分的硬软件分别进行了设计。 (5)以分布式温度变量作为被测对象进行了分布式传感解调实验，实验结果表明本解调方案的功能达到了预期的目标，能够满足解调试验与工程应用需要。 (6)根据实验结果对本论文进行了总结，并对后续工作进行了展望。
姚开方[4]2009年在《高频响应光纤布喇格光栅加速度传感器的研究》文中认为在航空航天、机电工程、石油等大型结构系统中,存在着复杂的动力学问题,必须对它们进行高质量的振动测试与分析,以保证工程结构的安全运行。因此,研制一种新型的加速度传感器用于振动领域的安全监测有着重大的经济意义与社会意义。自从1978年光纤光栅问世以来,研究人员便开始了对光纤光栅传感器的研究。与电类传感器比较,光纤光栅传感器具有频率响应范围大、本质防电、抗电磁干扰、信号传输距离远等优势。由于光栅的栅格结构嵌于光纤内部,与其它干涉类光纤传感器比较,具有体积小、重量轻、结构简单、容易组网等特点,因此,光纤光栅传感器一经出现,便受到世界范围的普遍关注。经过近二十年的研究和发展,人们研制了温度、应力、应变、压力、振动、位移等传感器,其中有些技术(如温度、应力应变、压力等传感器)已经发展成熟,并取得了很好的工程应用效果。人们在光纤光栅振动传感器方面也开展了大量研究工作,解决了诸如“高速波长解调”和“温度补偿”等关键技术问题,但是,频率响应指标一直无法满足机电与航空领域的应用要求。目前,研制的光纤光栅振动类传感器大多采用悬臂梁结构,这种结构传感器的响应频率受到灵敏度的制约,谐振频率局限在几百赫兹以内。本文在一般振动加速度传感器的设计方法上,结合光纤光栅传感技术,提出了光纤光栅加速度传感器的一般设计方法,并通过深入的研究,研制出了一种高频响应的光纤光栅加速度传感器,并从理论上详细分析和解决了影响光纤光栅加速度传感器性能的因素,通过结构参数的优化设计,设计了一种高频响应的新型光纤Bragg光栅加速度传感器,且对所研制的光纤光栅加速度传感器进行了系统的实验研究,实验结果表明我们研制的光纤光栅加速度传感器具有谐振频率3232Hz、量程0.1～4g、线性灵敏度669mv/g的较好特性,实验结果与理论研究具有良好的一致性,通过对传感器结构参数的进一步优化,还可将传感器的特性参数进一步提高。本文通过对所研制的高频响应光纤布喇格光栅加速度传感器从理论和实验上进行的可行性研究,可以认为本文设计的光纤光栅加速度传感器是比较成功的,本文的研究成果具有广阔的市场前景,将发挥巨大的经济与社会意义。
向光华[5]2012年在《长距离光纤光栅湿度传感器的研究》文中研究说明光纤Bragg光栅在传感领域有很多突出的优点,如抗电磁干扰、使用环境要求低、复用能力强等,因此它被广泛用来作为物理、化学以及生物量传感元件,利用它的滤波特性设计环形腔激光器,将二者结合起来构成激光传感系统在长距离准分布式传感中有广阔的应用前景.本文从理论和实验两方面详细讨论了湿度传感器的基本原理和设计方法,并将其应用在长距离传感中.主要内容和得到的研究结果如下：1.研究了光纤Bragg光栅的特性.从耦合模理论出发得到光纤Bragg光栅(FBG)的布拉格条件及其反射谱特性,数值模拟了FBG的反射谱,讨论了FBG的滤波特性和波长可调谐特性.实验验证了FBG的温度、应变以及折射率传感特性,对折射率传感做了一些探索性的研究,为设计FBG湿度传感器打下基础.2.根据聚酰亚胺材料的湿敏特性,在FBG侧面涂覆改性聚酰亚胺材料设计湿度传感器,详细研究了该传感材料的合成工艺,不同膜厚传感头的响应时间和湿度灵敏度特性,为后续设计长距离湿度传感器打下基础.文中利用FBG测量亚胺化的聚酰亚胺材料的湿膨胀系数,得到的结论是可以利用FBG测量复合材料膨胀系数.3.从实际应用的角度出发,为了进行长距离、准分布式的传感测量必须使用高信噪比、窄带宽的光源,以增加传感器的复用个数和传输距离.文中设计了基于SOA的光纤激光结构,可以提供高性噪比、窄带宽的激光输出,为长距离湿度传感提供理想的光源.4.研究了基于SOA的有源光纤光栅湿度传感器,设计了一种能够准确测量环境湿度变化的传感系统,并进行了实验测试.根据温度补偿机制,采用一种湿度不敏感的温度补偿传感器进行温度校准,测得湿度传感器的温度灵敏度系数为9.86×10-6/℃,制得的光纤Bragg光栅湿度传感器在6.6%RH一97%RH的测量范围内可以实现小于±5%RH的测量,其响应时间小于8S.
胡春池[6]2007年在《基于光纤光栅传感技术模压腔内分布式压力测量系统研究》文中研究表明工业生产中，有许多的参数需要测量，如压力、温度等，而这样参数中，压力又是其中最重要的参数之一，因此，正确地测量和控制压力是保证工业生产良好运行的重要环节。特别是易燃易爆材料，在模压腔内压制成型过程中，测量控制其在压制成型过程中的压力分布，是工业安全生产的基础和保障，通过对模压腔内的压力进行监测可以有效预防由于模压腔内压力过高而引起破坏甚至爆炸。通常，为了测量压力场的空间分布，需要布置多个点传感器，然后由这些点传感器所获得的离散信息的综合来描述压力场的分布情况，显然这是一个十分复杂和昂贵的方法。特别是在一些特殊的场合，如易燃易爆、强电磁干扰和空间狭小等场合，光纤光栅分布式传感器就显得具有很大的优势，与其他的传感器相比，光纤光栅传感器具有如下优点：1、光纤光栅传感系统属于全光系统，没有电场的存在，本质防爆；2、光纤光栅传感信号可长距离传输且不受电磁信号干扰；3、因为光纤尺寸小，所以光纤光栅传感器非常适合于一些要求传感探头尺寸比较小的场合；4、能方便的使用波分复用技术在一根光纤中串接多个光纤光栅进行分布式测量。本文针对电传感器在易燃易爆场合测量压力中存在的问题，结合光纤光栅传感器的一些优势特点，研究设计了一种基于光纤光栅传感技术的模压腔内分布式压力测量系统。本文从光纤光栅压力传感器的系统设计、工作原理、实验方案设计、实验结果分析等方面详细阐述了采用光纤光栅传感技术的分布式压力测量系统进行压力测量的新方法，并着重对光纤光栅压力传感器的设计原则、技术指标、封装技术、标定等进行了系统分析和研究。此外，利用本文所设计的光纤光栅分布式压力测量系统对模压腔内的压力分布进行了测量。本文所做的工作主要包括：1、采用等强度梁结构，设计了一种光纤光栅压力传感器。2、对所研制的压力传感器进行了理论分析和实验研究。3、研究了一种基于光纤光栅传感技术的模压腔内分布式压力测量系统，并利用研制的光纤光栅分布式压力测量系统对模压腔内压力分布进行测量，取得了较好的测量效果。实验结果表明：本文所设计的光纤光栅分布式压力测量系统对压力具有良好的响应性、重复性和稳定性，可对模压腔内的压力分布进行精确测量。
王念[7]2014年在《组合式光纤光栅传感技术研究》文中提出光纤光栅传感器是以光纤光栅为传感元件的新型传感器，主要用于测量光栅区域外部的应力、温度和折射率分布等。目前，基于光纤光栅的传感器研究主要集中在光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）和长周期光纤光栅（LongPeriod Fiber Grating，LPFG）两大类。但是，FBG和LPFG作为传感器使用时存在多种物理量（如温度、应变、折射率、弯曲等）的交叉敏感问题，这将大大降低测量的精度。因此，为了消除在测量过程中的交叉敏感，国内外学者提出了多种解决方案，它们都有各自的特点。但是，总的来说，需要组合两个或更多个传感器，才能更好的解决这个问题。在此背景下，本文深入的研究了FBG-LPFG组合式光纤光栅用于同时测量温度和浓度（外部介质折射率）的新型传感器的响应频谱特性，并总结了其变化规律和相应的传感机理，得到了具有高灵敏度的组合式光纤光栅传感器，并用此传感器完成了同时测量蔗糖溶液浓度（折射率）和温度两个参数。本文从以下几个方面展开了研究：（1）针对FBG和LPFG的温度和外部介质折射率传感特性进行了理论分析，得到FBG和LPFG的主要结构参数对温度和外部介质折射率灵敏度因子的影响，并通过设计不同结构参数FBG和LPFG的实验，对理论进行验证。（2）对组合式光纤光栅传感器的传感特性进行了理论研究，包括对组合式光纤光栅传感器的温度和折射率传感的传感机理进行了分析，得到了组合式光纤光栅在同时测量温度和外部介质折射率时，温度和外部介质折射率变化量的矩阵关系式。（3）设计并制作了FBG-LPFG组合式光纤光栅传感器。利用其独特的结构，通过实验对得到的灵敏度矩阵进行数值仿真验证，得到了可消除温度和折射率交叉敏感影响，且具有较高温度和折射率灵敏度的组合式光纤光栅传感器。（4）搭建了“温度-外部介质折射率”同时变化的实验系统，利用所制作的FBG-LPFG组合式光纤光栅传感器对蔗糖溶液浓度和温度进行了同时测量。实验证明：该组合式光纤光栅传感器测量蔗糖溶液浓度引起的折射率变化的标准误差为±2.18RIU，测量温度的标准误差为±0.39℃。因此，该组合型光纤光栅传感器能够有效的消除温度和外部介质折射率交叉敏感的影响。本文研究成果不仅可为生物医学、生物化学等方面，对折射率和温度等多个参数需要同时测量的场合提供了一种同时测量多个参数的新方法，同时，也促进了光纤光栅传感技术在生化领域的应用。
杨先辉[8]2007年在《锥形光纤光栅应变传感器及解调技术研究》文中提出应变和温度的传感技术研究在智能材料与结构领域以及结构健康监测领域中占据着十分重要的位置。光纤光栅传感器由于其自身所具有的独特优点,已经逐渐发展成为各种场合中对应变、温度等多种参量进行传感、监测的首选元件,其制作技术、信号解调技术的研究以及应用领域的拓展都达到了前所未有的高度。然而,光纤光栅传感器在应用中还存在着一些限制,其中比较突出的有光纤光栅传感器的温度-应变交叉敏感以及传感信号解调装置结构复杂、价格昂贵等问题,对这些问题的妥善解决是保证光纤光栅传感器性能、促使其进一步走向工程实用化的关键,具有重要的理论价值和工程意义。本文在大量查阅国内外相关文献的基础上,对光纤光栅的传输理论、传感机理及其信号解调技术进行了深入研究,提出了一种可用于解决温度-应变交叉敏感的光纤光栅应变传感器设计方案,并通过实验对该应变传感器的性能及其传感信号解调装置进行了深入研究,取得了满意的效果。论文的主要创造性研究工作如下:在分析已有的锥形光纤光栅传感器机理和优缺点的基础上,提出了一种锥形光纤光栅应变传感器设计方案。该方案基于对锥形光纤光栅反射光的带宽解调,具有传感信号为波长调制的特点;结构简单,容易实现。实验结果表明,所设计的锥形光纤光栅应变传感器在宽范围内对温度不敏感,对应变/应力具有线性敏感特性,提高了应变测量的准确度;易组成分布式传感网络,对智能结构应变检测和结构健康监测有重要意义。在分析锥形光纤光栅反射光带宽特性的基础上,提出了锥形光纤光栅传感器反射光带宽调制与解调方法。将待测应变转换成锥形光纤光栅反射光的带宽变化,故避免了温度影响。将反射光中心波长与带宽调制相结合,可实现应变和温度的同时测量。这一方法较双波长移位传感方法具有结构简单、容易实现、成本较低等优点。在反射光带宽解调时,为了提高准确性,提出了“阈值限制”的预处理方法。即通过设定阈值来对传感信号进行筛选,只对满足要求的信号进行下一步的处理。实验表明这种方法有效避免了反射光中的旁瓣信号对测量结果的影响,提高了测量的精度;同时减少了数据处理量,提高了解调速度,对锥形光纤光栅的分布式应用有较大意义。在研究光纤光栅的综合问题时,分别提出了基于模拟退火和遗传机理的光纤光栅参数重构方法。这两种方法基于同一种思想,即在设定光纤光栅各物理参数的离散化取值范围的基础上,通过不同的参数组合来使计算反射谱符合或逼近目标反射谱,从而将光纤光栅的参数重构问题转化成为组合优化问题,通过模拟退火算法和遗传算法来进行求解。仿真实验验证了这两种方法的有效性,可用于解决针对给定反射谱的光纤光栅综合问题。
楼建明[9]2008年在《基于CMOS的FBG传感网络图像解调技术研究》文中研究指明光纤布拉格光栅传感器具有抗干扰能力强、体积小、质量轻、成本低,适于在恶劣环境中使用等优点,已成为光纤传感领域研究的热点之一。寻求一种低成本高性能的光纤光栅传感系统的解调方案是实现光纤光栅传感器实用化的关键技术之一。目前国内许多研究单位对其解调技术进行了大量研究,但是大多数仍处于实验室研究阶段,离实用化、产品化的标准还有相当距离。该文阐述了光纤光栅传感器国内外研究现状,系统分析了FBG传感机理及其常用解调方法,提出了基于CMOS图像传感器的FBG传感网络解调方案,将FBG的波长解调转化成FBG光斑图像解调。在前端传感光路设计与光学系统模型分析的基础上,该文提出了提高图像解调系统的分辨率、复用能力的途径。为解决图像采集系统中存储容量大、通信任务重以及图像的非实时可见性问题,该文提出了一种应用于FBG解调系统的图像采集系统设计方法。通过在图像采集模块中增加光斑象素识别机制,减少了系统对存储器存储容量的要求。通过采用简化的双线性插值算法,实现了Bayer图像格式到RGB图像格式的转换。通过设计VGA驱动模块,解决了光斑的非实时可见性问题。通过采用片上总线的方法设计图像采集系统,增加了系统的适用性。为了提高解调的精度与响应速度,提出了基于块匹配算法的光斑解调算法。FBG应变实验结果表明,该文提出的基于CMOS的FBG传感网络解调技术具有精度高、复用能力强等优点,能够很好地满足FBG传感网络解调系统的解调要求,对推广FBG传感网络应用有实际意义。该文还对实验中存在的问题以及影响测量精度的诸多因素做了一些探讨,以供后续研究参考。
董兴法[10]2005年在《阵列化光纤光栅传感器技术研究》文中提出世界已经跨入信息时代,光子作为信息的又一种载体越来越显示了它的显着地位。光纤作为信息传输的通道正在得到广泛地应用,各种类型的光纤系统及光纤器件共同构筑了和改善着我们这个社会信息交流的平台,显示了不可替代的重要性。光纤光栅是纤芯折射率沿光纤轴线呈周期性变化的一种光纤结构,它标志着近年来继光纤以后的又一座里程碑。目前,以布喇格光纤光栅(FBG: fiber Bragg grating)为传感主体的传感器已成为研发主流。这种传感器适于在高温、腐蚀性或危险性环境中使用。在大型建筑和油井等特殊场合的安全监测方面具有极为广泛的应用前景。目前,已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有:温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等,其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。本论文主要以布喇格光纤光栅为研究对象,对其传感技术、解调技术以及网络技术进行了理论和实验的研究。主要内容有:1.概括介绍了光纤传感和光纤光栅传感技术的发展现状。分析了以光纤光栅作为基本传感器件的原理,说明了不同成栅方法的特点,概述了光纤光栅传感器的解调和复用技术。2.从耦合模理论出发,论述了具有不同折射率结构的光纤光栅所表现的传输谱及其应用范围。以均匀Bragg光纤光栅、长周期光纤光栅为典型,简要推导了传输谱的中心波长、反射率、3dB带宽等参数的数学表述,说明了它们与折射率调制因素的关系。从一般光纤传感器到当今广泛研究的FBG传感器,研究了它们的组网原理,讨论了限制传感器网络中点数设置的关键问题。3.从光纤光栅传感技术的关键点入手,系统阐述了单点解调方法、组网方法及复用系统的解调方法。这些包括马赫-泽德、迈克尔逊等干涉型解调方案以及法布里-珀罗可调谐滤波器、边沿滤波、匹配光纤光栅滤波等滤波型解调方案。分析了在光纤光栅传感系统阵列化应用时的关键复用技术,如波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)等技术的组合解调方法。同时,还对传感系统中光电检测的关键技术以及光源技术进行了探讨。4.从光纤光栅交叉敏感物理模型出发,引入光纤光栅的交叉关联分析方法,指导高性能传感器的设计。首次提出并设计了用于结构损伤诊断的实用型光纤光栅传感器,并获得专利授权;研究了应用F-P半导体激光器和FBG振动传感的方法;首次提出了一种新颖的光纤光栅温度补偿型应变检测方法和振动传感方法;
参考文献：
[1]. 光纤布拉格光栅传感器交叉敏感问题基础研究[D]. 张鹰. 吉林大学. 2005
[2]. 光纤Bragg光栅对在FBG型传感器中的应用[D]. 王海平. 福建师范大学. 2003
[3]. 基于DSP的光纤Bragg光栅解调[D]. 张洪波. 武汉理工大学. 2004
[4]. 高频响应光纤布喇格光栅加速度传感器的研究[D]. 姚开方. 武汉理工大学. 2009
[5]. 长距离光纤光栅湿度传感器的研究[D]. 向光华. 西北大学. 2012
[6]. 基于光纤光栅传感技术模压腔内分布式压力测量系统研究[D]. 胡春池. 武汉理工大学. 2007
[7]. 组合式光纤光栅传感技术研究[D]. 王念. 重庆理工大学. 2014
[8]. 锥形光纤光栅应变传感器及解调技术研究[D]. 杨先辉. 哈尔滨工业大学. 2007
[9]. 基于CMOS的FBG传感网络图像解调技术研究[D]. 楼建明. 浙江工业大学. 2008
[10]. 阵列化光纤光栅传感器技术研究[D]. 董兴法. 南开大学. 2005
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