研究單端腐蝕光纖布拉格光柵(fbg)在低折射率區(約1.333～1.360)對折射率與溫度同時測量的理論模型,分析其主要結構參數對折射率靈敏度和線性度的影響,建立相應的線性近似理論和誤差分析方法。理論仿真結果表明,可通過減小腐蝕區的直徑或選擇光柵周期較大的fbg制作傳感器來提高折射率靈敏度,但這同時會降低傳感器的線性度及增大折射率靈敏度的理論誤差。在此理論分析基礎上,設計并制作一個單端腐蝕fbg,進行相應實驗研究,實驗結果與仿真結果一致。

提出一種通過布拉格光纖光柵傳輸譜線計算其纖芯直徑和折射率的方法.實驗中采用較短波長的相位掩模板及紫外光照射載氫的單模光纖來寫布拉格光柵.通過測量lp01模與反向傳輸的lp01、lp02模耦合所對應的損耗峰,并將對應的兩中心波長分別帶入色散方程,來計算同時滿足布拉格光柵相位匹配條件的解,即可求出該光纖光柵纖芯直徑和折射率.這種方法為測量光纖光柵參數提供了一種新的途徑.

提出了一種基于fpga與dsp平臺的光纖布拉格光柵傳感分析儀,將外界參量的變化轉化為光纖布拉格光柵波長的偏移,通過數據采集、過濾雜波、信號波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權波長計算等關鍵步驟來實現波長解調技術,進而完成溫度、應變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實現光纖線路故障分析與定位的功能。實驗結果表明:該系統功耗低、線性度好、波長解調精度與分辨率較高。經過長期測試,系統軟硬件運行穩定可靠。

利用復模式耦合模理論分析了基于閃耀光纖布拉格(bragg)光柵功率檢測的折射計中不同設計參數對折射計性能的影響。利用完全匹配層(pml)技術簡化了輻射模分析模型。分析結果表明,隨著光柵傾斜角度的增大,折射計的感應范圍向折射率較小的方向移動。隨著光柵長度以及折射率調制強度的增大,折射計的靈敏度增大,但折射率感應范圍不變。同時這種折射計具有偏振依賴性,隨著光柵傾斜角的增大偏振依賴性提高。因此在這種傳感系統中需要引入精確且穩定的偏振控制。

研究了具有高雙折射的光子晶體光纖(hbpcf)中均勻布拉格光柵(fbg)的光譜特性。利用緊湊的超格子模型,對光子晶體光纖的傳輸特性進行分析,研究正向傳輸和反向傳輸的模式之間的耦合規律,從而研究寫入光子晶體光纖中的均勻布拉格光柵的特性。首先給出具有c6v對稱性的零雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的布拉格波長λb隨光纖結構參量的變化規律;然后分析一種高雙折射光子晶體光纖中的光纖布拉格光柵的光譜特性,高雙折射使兩個不同偏振態的反射峰分開較大;最后分析了一種常用的雙模雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的光譜特性,lp01模和lpe11模的兩個偏振態對應的反射譜都由于高雙折射而分開。

由法拉第效應原理,通過測量磁場引起光纖布拉格光柵(fbg)的偏振相關損耗(pdl),可以測得磁感應強度大小。fbg中線雙折射的存在,同樣改變了光的偏振特性,仿真并實驗驗證了fbg固有偏振相關損耗的特點。利用瓊斯矩陣法理論推導了fbg在既有雙折射又有磁場影響時,輸入線偏振光偏振態的變化規律。通過對偏振相關損耗與線偏振光起偏角和雙折射大小的仿真分析可知,不同起偏角的線偏光對線雙折射的敏感度不同。在線雙折射的影響下,偏振相關損耗峰值隨起偏角大小呈周期性變化,對磁場測量的靈敏度產生影響,而與磁感應強度的線性關系并未發生變化。

根據耦合模理論和瓊斯矩陣與斯托克斯矢量的關系給出單模均勻光纖布拉格光柵(fbg)反射和透射斯托克斯參量公式,數值模擬出低雙折射單模光纖均勻fbg在不同雙折射值下反射和透射斯托克斯參量隨波長變化的曲線。結果顯示4個歸一化斯托克斯參量中,s1關于中心波長λ0呈反對稱分布,s0,s2和s3關于λ0呈對稱分布;雙折射值增大譜線不產生漂移,但譜線反射帶寬變窄,反射信號與透射信號斯托克斯參量振幅均有不同程度的變化,表明雙折射值對斯托克斯參量的影響非常顯著。測出單模光纖均勻fbg反射和透射斯托克斯參量隨波長變化曲線,理論分析與實驗結果基本符合。

兩電流產生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個布拉格光柵的波長漂移差,得到被測電流。雙光纖布拉格光柵通過補償溫度效應,解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過程中不出現啁啾現象,又避免了自身重量和導線重量對測量結果的影響,從而減少了測量誤差。該系統傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對誤差為3.38%,結果表明該傳感器結構是可行的。

提出了基于可調激光器和聲光脈沖調制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統,同時利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統的傳輸距離,達到了300km的超長距離傳感。該系統通過前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來補償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統在低于275km長度時獲得了大于15db的優良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號。系統在100,200,250,300km處的靜態應變實驗中,線性度均達到了0.999以上。系統可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長距離遙測中得到廣泛應用。

載流導線在磁場中產生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵(fbg)的布拉格波長漂移。通過檢測2個fbg的波長漂移差,得到被測磁場的磁感應強度。雙fbg通過補償溫度效應,解決了fbg傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過程中不出現啁啾現象,又避免了自身重量和導線重量對測量結果的影響,從而減少了測量誤差。該系統傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對誤差為4.31%,結果表明,該傳感器結構是可行的。

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據鍍nifbg的特點,分析了鍍nifbg溫度變化時的應力應變,從理論上推導出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過實驗進行了驗證,用理論證明了鍍nifbg的波長漂移、應力和應變與溫度變化成線性關系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關系。用an-sys軟件對鍍nifbg在溫度變化時的應力應變進行了仿真。理論分析得到鍍層厚度為4.56μm的鍍nifbg的溫度靈敏度為14.3306pm/℃,實驗值為14.113pm/℃。理論、實驗和仿真得到了一致的結果。

闡述了光纖布拉格光柵的幾種解調方法及實驗原理框圖,并介紹了各種解調方法的優缺點。

介紹了光纖布拉格光柵傳感器測溫的基本原理以及一些布拉格光纖的封裝方法,在此基礎之上探討了一種新型的布拉格光纖光柵的封裝方法即用鋼條對布拉格光纖光柵進行封裝,并通過實驗對祼光柵和封裝后光柵的溫度特性進行了研究.實驗采用了恒溫水浴裝置,在25℃至70℃溫度范圍使用了中心波長為1530.5nm的光纖布拉格光柵進行測量.先進行了祼光柵的測量,在光柵封裝之后又進行了測量.實驗結果表明,光纖光柵在封裝之后溫度靈敏度為裸光柵的2.5倍.其線性擬合度達到0.996.

光纖布拉格光柵(fbg)傳感器是智能金屬結構首選的信息傳輸與傳感的載體,埋入金屬材料內部的fbg傳感器必須要經過適當保護,金屬鍍層是最有效的保護方法之一。fbg經過鍍前預處理,通過化學鍍方法可獲得均勻的金屬保護鍍層。針對金屬保護鍍層,應用彈性力學基本原理分析了由于鍍層與fbg傳感器的熱膨脹系數不同而產生的熱應力,建立了鍍層厚度對fbg溫度傳感性能影響的數學模型。鍍鎳fbg的升溫和降溫傳感實驗表明,升溫時的實際溫度靈敏度系數與模型值之間誤差為6.22%,降溫時的實際溫度靈敏度系數與模型值之間誤差為6.75%。與裸fbg相比,化學鍍鎳后的fbg溫度靈敏度系數提高1倍多。結果表明該溫度模型從理論上解釋了鍍層金屬熱應力對fbg起到的溫度增敏作用。

提出了一種基于級聯長周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調系統。級聯長周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個線性區監測單個光纖布拉格光柵傳感信號。該系統具有結構簡單、價格低等優點,但易受光源抖動及系統其他不穩定因素等帶來的系統噪聲的影響。為消除系統噪聲帶來的不利影響,對該系統進行了改進。改進系統利用級聯長周期光纖光柵的兩個線性區同時監測兩個光纖布拉格光柵傳感信號。分別用原系統及其改進系統對溫度進行監測,實驗的溫度測量范圍為-70～-115°c。原系統的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進系統的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實驗結果表明改進系統能有效消除系統噪聲,提高系統的精度。

從布拉格光柵方程出發,理論上分析了在溫度、應變雙參量同時測量時,考慮溫度-應變交叉靈敏度、二階應變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應變測量的誤差的一般數學公式.結合實驗數據進行了溫度和應變的誤差計算,得出3個二階靈敏度在不同的溫度變化、應變范圍內對測量誤差的貢獻不同.同時給出了波長的漂移量與溫度、應變呈線性關系時,溫度變化和應變的范圍.

將長周期光纖光柵(lpg)和光纖sagnac環相結合,實現了折射率和溫度的同時測量。首先利用二氧化碳激光器在保偏光纖上制作了長周期光纖光柵(pm-lpg),然后把該pm-lpg和普通單模光纖耦合器組成sagnac環,作為傳感單元。實驗選擇其某一透射峰作為測試對象,其波長隨溫度變化,強度隨折射率變化,因此可實現兩個參量的同時測量。實驗獲得的溫度靈敏度為-0.654nm.℃-1,折射率靈敏度為49.9db.riu-1。整個實驗系統成本低、簡單實用,具有較好的應用前景。

光纖傳感器作為一種線性的測試儀器,應用于巖土工程領域時,較傳統傳感器有更多的優越性和更加廣泛的應用前景。介紹了光纖bragg傳感器的工作原理及應用,并通過混凝土試件的加載試驗,對fbg應變傳感器和電阻應變計量測混凝土的應變測量進行了比較。提出準分布式光纖光柵傳感器在現場應用及實驗室中將得到更加廣泛的應用。

基于光纖布拉格光柵傳感器的基本原理,對在土木工程中的應用作了詳細的闡述;為進一步了解其性能,對布拉格光柵應變傳感器進行了抗電磁干擾、抗零飄、重復性等性能進行測試,并與傳統的電阻應變片做了對比,顯示了令人滿意的效果,為工程健康監測應用指出了廣闊的前景。

基于光纖布拉格光柵傳感模型,提出了一種懸臂梁與波登管相結合的光纖光柵壓強傳感器的組合設計,推導了光纖布拉格光柵中心波長偏移量與壓強之間的解析關系式。理論和實驗結果表明,壓強調諧光纖布拉格波長的靈敏度系數的理論值與實驗值分別為0.2246nm/mpa、0.2218nm/mpa,在0~6mpa測壓范圍內,調諧范圍為1.35nm.

根據理想模展開下的耦合模方程,對光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進行了數學推導,得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達式。全面討論了光柵周期、光纖柵長、光致折射率微擾最大值等參數與光纖光柵反射光譜的關系。仿真結果顯示了固定參數下布拉格光柵的極限窄帶寬,得到的反射率為1、帶寬為0.02nm的窄帶寬布拉格光柵,比現今分布式傳感系統中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個數量級。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統,可大大提高分布式傳感系統中光源的帶寬利用率,消除各信號間的相互串擾,提高傳感光柵復用數目,降低解調系統成本。

根據菲涅耳公式和功率反射系數關系式,分析纖芯失配型光纖傳感器折射率傳感原理;采用單模/多模光纖制作傳感器,研究傳感器輸出光功率隨甘油溶液折射率變化特征,并驗證理論計算結果。表明媒質折射率n_2=1.300～1.441時,傳感器輸出光功率強且幾乎不發生變化;n_2=1.441～1.452時,傳感器輸出光功率呈線性快速下降,其斜率為-155.91;當媒質折射率與單模光纖包層折射率接近時,傳感器輸出光功率幾乎為0。驗證實驗發現,傳感器線性快速下降的折射率范圍為1.442～1.454,斜率為-49.67,其輸出光功率隨甘油溶液折射率變化規律與數值模擬結果基本一致。該傳感器具有結構簡單、成本低、傳感系統全光纖化等特點,能用于有毒有害、易燃易爆等特殊環境下物質折射率的高精度測量。