光纖光柵傳感系統(tǒng)的無線傳輸、解調(diào)與封裝技術(shù)的研究與應(yīng)用.pdf

1、自從光纖光柵(FBG)出現(xiàn)的短短二十多年中，光纖光柵傳感技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并逐漸應(yīng)用到軍事和民用工程領(lǐng)域里。廣闊的應(yīng)用前景使其在光纖通信、光纖傳感等領(lǐng)域中具有重要變革性的地位。光纖光柵傳感技術(shù)是將光輸入光纖光柵(如Bragg光纖光柵)中，當(dāng)滿足光反射(或透射)匹配條件時(shí)，其反射(或透射)光譜在匹配位置將出現(xiàn)峰值。光柵受到多種外部物理場(chǎng)作用時(shí)，光柵柵格間距改變，反射光波長(zhǎng)λ將發(fā)生變化。根據(jù)λ值的變化可以計(jì)算出待測(cè)物理場(chǎng)(如應(yīng)力、應(yīng)變、

2、溫度、位移、電流、電壓、振動(dòng)強(qiáng)度、加速度、流量等)的變化。由于光纖光柵本身具有無電磁感應(yīng)性、化學(xué)穩(wěn)定性高、容量大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，這種光纖光柵傳感器在工業(yè)、國(guó)防、外空探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療等領(lǐng)域中擁有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要以光纖光柵作為傳感元件，利用光纖光柵反射波長(zhǎng)漂移與外界環(huán)境變化呈線性關(guān)系的原理，對(duì)光纖光柵的封裝、解調(diào)、無線傳輸以及應(yīng)用等多方面進(jìn)行深入的研究。主要內(nèi)容包括：一、采用各種材料、工藝和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)封裝光纖光柵傳感器，用來改善

3、光纖光柵對(duì)外界環(huán)境的靈敏度。 1．首次設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了采用兩種聚合物均勻混合后對(duì)布拉格光纖光柵的封裝。在恒溫下對(duì)封裝后的光柵進(jìn)行了壓力實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明這種材料是一種比較好的封裝材料。用封裝后的光柵對(duì)壓力有很高的靈敏性，在O～10MPa的范圍內(nèi)壓力靈敏度為—1.22×10<'-4>／MPa，是裸光柵壓力靈敏度的62倍，是同類結(jié)構(gòu)報(bào)道的2倍。2．首次設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了免受溫度影響的壓力傳感器。將光纖光柵一部分封裝到金屬管內(nèi)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)不僅大大提高了其壓

4、力靈敏度，在低壓力范圍內(nèi)(0～0.44MPa)具有高靈敏度的特性：而且利用這種方法能夠在一定的溫度范圍內(nèi)避免其溫度交叉敏感的問題。這種封裝方法簡(jiǎn)單方便，只要采用一根光纖光柵就能夠避免溫度參量的變化給光纖光柵壓力傳感器所帶來的干擾，這種結(jié)構(gòu)在一定程度上解決了上述問題。 3.首次合作設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了光纖布拉格光柵輪輻式壓力傳感器的研制。該傳感器測(cè)量壓力范圍大，向光纖光柵的實(shí)用化方向邁進(jìn)一步。實(shí)驗(yàn)研究了光纖布拉格光柵輪輻式傳感器的傳感特性

5、，這種傳感器壓力測(cè)量范圍為0～30KN，其靈敏度為-2.172×10<'-5>／KN，線性擬和度可高達(dá)0.999。這說明光纖布拉格光柵是理想的壓力傳感元件，可以應(yīng)用在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的壓力測(cè)量以及汽車衡、軌道衡、皮帶秤等衡器上。 4.設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)Bragg光纖光柵用兩種聚合物材料均勻混合后封裝。并做了溫度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)可知此溫度傳感元件在30℃到80℃范圍內(nèi)具有較高的溫度靈敏度，是裸光柵溫度靈敏度的11倍；在80℃到230℃范圍內(nèi)溫

6、度靈敏度較低，是裸光柵的4.5倍，有較好的線性擬合度。 二、完成GSM無線傳輸技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)的研制。 1.對(duì)雙折射光纖環(huán)形鏡級(jí)聯(lián)濾波特性進(jìn)行了理論分析，并得出了表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)表明，理論與實(shí)驗(yàn)相符。多個(gè)串聯(lián)的光纖環(huán)形鏡濾波器比單個(gè)光纖環(huán)形鏡濾波器有更加靈活的特點(diǎn)，使光纖環(huán)形鏡具有了新的濾波特性，因此它有更加廣闊的應(yīng)用前景。 2.首次設(shè)計(jì)并合作完成了采用高雙折射光纖環(huán)形鏡濾波器的溫度補(bǔ)償，雙折射環(huán)形鏡粘貼于大熱

7、膨脹系數(shù)的基底材料，使雙折射光纖環(huán)形鏡對(duì)應(yīng)變產(chǎn)生的漂移補(bǔ)償其對(duì)溫度產(chǎn)生的漂移。經(jīng)過封裝后雙折射光纖環(huán)形鏡對(duì)溫度的靈敏度降低到0.059nm／℃，將其溫度靈敏度降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這種方法簡(jiǎn)單可行，在一定程度上解決了雙折射環(huán)形鏡溫度敏感的問題。 3.首次合作在完成解調(diào)、光電檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理部分具體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建成基于無線GSM網(wǎng)的光纖光柵傳感系統(tǒng)，成功的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸。并將其成功的用于標(biāo)準(zhǔn)等強(qiáng)度梁的應(yīng)變分布的傳感測(cè)量。該系統(tǒng)在大型重

8、要建筑物應(yīng)變安全的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用前景廣闊。 三、設(shè)計(jì)并研制了光纖型的液體泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。 1.采用長(zhǎng)周期光纖光柵傳感裝置進(jìn)行液體泄漏檢測(cè)。將長(zhǎng)周期光纖光柵進(jìn)行封裝，并進(jìn)行了溫度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明采用長(zhǎng)周期光纖光柵可以檢測(cè)折射率較大的液體泄漏，本實(shí)驗(yàn)裝置采用光強(qiáng)型檢測(cè)方式避免了波長(zhǎng)解調(diào)的復(fù)雜方案。 2．首次采用長(zhǎng)周期光纖光柵和布拉格光纖光柵混和級(jí)聯(lián)的方法進(jìn)行液體泄漏檢測(cè)。長(zhǎng)周期光纖光柵作為傳感探頭，布拉格光纖光柵作為

9、參考光柵，利用邊緣濾波方法對(duì)液體泄漏進(jìn)行檢測(cè)。此方案提高了光纖光柵對(duì)折射率的靈敏度，對(duì)折射率較低的液體也可以進(jìn)行泄漏檢測(cè)。 3．首次設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了單路多點(diǎn)液體泄漏檢測(cè)光纖傳感系統(tǒng)。利用光纖端面作為傳感探頭對(duì)各種液體泄漏進(jìn)行檢測(cè)，并提出多路多點(diǎn)并聯(lián)的方案。利用多點(diǎn)光纖探頭并聯(lián)的方案不僅能夠擴(kuò)大系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍，而且能夠?qū)π孤┮后w進(jìn)行量化的報(bào)警，還可以降低光纖探頭的測(cè)量誤差。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了溫度穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明這種傳感器對(duì)溫度變化并

10、不敏感，適用于實(shí)際中的應(yīng)用。 本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： 一、首次研制了金屬管分段封裝壓力傳感器。其壓力靈敏度是裸光柵的1200倍；而且該結(jié)構(gòu)避免了溫度交叉敏感問題。同時(shí)研制了聚合物封裝的光柵壓力傳感器，是同類結(jié)構(gòu)報(bào)道的2倍。 二、完成光纖光柵傳感陣列無線傳輸系統(tǒng)的研制，首次對(duì)雙折射光纖環(huán)形鏡級(jí)聯(lián)濾波特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。并提出了這種濾波器的溫度補(bǔ)償方案，其溫度靈敏度降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中，具有應(yīng)用前景。