优秀毕业设计精品]一种基于轮辐式压力盒装置的光纤光栅压力传感器设计.doc

届毕业设计1摘要光纤光栅作为一种新型的传感器件，从它问世之日起就受到人们的广泛关注，在二十多年中实现了突飞猛进的发展。随着光纤光栅技术的不断完善发展，其在传感器领域的应用研究越来越引起人们的重视。光纤光栅传感器除了具有重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、结构紧凑等优点外，还有其独特的优越性，如探头尺寸小，其直径与光纤等同；易于与光纤耦合，耦合损耗小；波长调制型，抗干扰能力强；集传感与传输于一体且具有极强的复用能力，易于构成传感网络；测量对象广泛，易于实现多参数传感测量等等。这是基于上述其他传统传感器无可比拟的优点，使得光纤光栅传感器近年来在复合材料及混凝土结构状态检测、电力工业、医学以及能源化工等实际应用领域都取得了长足的进展。论文主要涵盖以下几方面内容：1对传感技术进行了概要叙述，重点介绍了光纤传感技术和光纤光栅传感技术的现状和发展。对光纤光栅的发展、光纤光栅的分类和当前的一些光纤光栅的写入技术以及光纤光栅在光通信领域和传感领域的应用，作了简单介绍。2介绍了光纤光栅的理论特性分析，并分别利用耦合模理论、传输矩阵法和傅立叶变换法对各类型光纤光栅(布拉格光栅、长周期光栅、啁啾光栅)的光谱特性进行了分析。并详细介绍了光纤光栅传感中的解调技术以及复用技术。3利用光纤光栅作为基本传感元件，设计研制了一种基于轮辐式压力盒装置的光纤光栅压力传感器。我们将两根不同波长的光栅粘贴在传感器同一轮辐的正反面上，提高了测量精度，减少了波长随温度漂移带来的影响。在030KN的范围内，其测量线性度达到99.98%，灵敏度达到13.89N，且响应速度快。与其它类型的光纤光栅压力传感器相比，轮辐式光纤光栅压力传感器具有更大的测量范围、更高的稳定性，更好的抗干扰能力。关键词：光纤光栅，传感技术，解调技术，复用技术，轮辐式，温度传感AbstractAsanew-typesensingelement，fibergratinghasgainedabroadattentionfromitsappearanceandachievedhigh-speeddevelopmentinthelast20years.Withthedevelopmentoffibergratingtechnology，studyontheapplicationofFBGsensorhasgotmorerecognition.Asanewcomponentofsensor，fibergratinghavemanyinstinctiveadvantages，suchas届毕业设计2lightinweight，anti-cauterization，anti-interferenceinelectromagnetism，high-sensitivityandcompactioninconstruction.Itisveryeasytobecoupledwithfibersandthecoupling-lossisslight.Usingfibergratingscharacterofsensitivityforstress；peoplehavedonesomeenvelopeexperimentsonstructuralsystems(suchasstoriedbuildings，bridge，railwayanddam).Real-timedetectionandmonitoringtostress(orstrain)ofstructuralsystemshavebeenputintoeffect.Martialresearchesinfibergratinghydrophonehavealsobeendeveloped.Thethesiscontainsthefollowingaspects:1Depictgenerallyonthesensortechnique，andputemphasesonthepresentsituationanddevelopmentoffiberandfiberBragggratingsensortechnique.Introducedbrieflythedevelopments，classificationandtherecentfabricationtechnologyoffibergratings.Theapplicationoffibergratingsinthefieldsofopticalcommunicationandthesensingarepresentedsimplyinthisdissertation.2Severaltheoryanalysismethodsforpropertiesoffibergratingsarepresentedincludingthecoupled-modetheory，transfermatrixapproach，multi-filmmethodandFouriertransfermethod.Thesemethodshavetheirowncharacteristicsandscopeofapplication.Themethodsofdemodulationandmultiplextechniqueusedinfibergratingsensorareintroducedinthisdissertation.3AnovelFBGsensorbasedonspoke-structurepressureboxbyutilizingFBGastheelementsensingcomponentispresented.Anovelmethodstickingtwogratingswithdifferentwavelengthsonthefrontandbacksurfacesofthesamespokeisproposed，whichimprovedmeasuringprecisionandreducedtheinfluencefromtheshiftofwavelengthwithtemperature.Withintherangeof030KN，itslinearityandsensitivityreach99.98%and13.89N，respectively.Furthermore，ithasexcellentrepeatabilityandhighresponsespeed.ComparedwithotherFBGsensors，thespokeFBGsensorhaswidermeasurementrangeandhigherinterferenceresistance.Keywords:Fibergrating,SensingTechnology，DemodulationTechnology，MultiplexTechnology，Spoke-structure，TemperatureSensing届毕业设计3第一章绪论光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤内建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为与方式。作为一种新型的光学器件，光纤光栅已经在诸多方面得到了不同的应用。相信在不久的将来随着光纤光栅与其他技术的进一步结合，其可应用前景会更为广阔。1.1光纤光栅的发展历史光纤技术自20世纪60年代末至今在不到30年的时间里以惊人的速度发展成为信息技术领域中的支柱性高新技术。然而,随着现代社会对信息技术的更新更高的要求,光纤通信、光纤传感技术正面临着新的挑战。传统光学器件由于制作的复杂性和体积大而笨拙等原因无法适应新技术的要求。因此光纤光栅应运而生。光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接写在光纤中形成的光纤波导器件。该技术最早出现于1978年，加拿大的K.O.Hill在掺锗光纤中，用488nm氩离子激光在光纤中产生驻波干涉条纹，首次发现了在掺锗光纤中的光致光栅现象，并制造出世界上第一条光纤光栅。从此开创了光纤光栅发展的历史。这种方法制作的Bragg光纤光栅反射滤波器的线宽可以很窄，反射率也较高，但只能制作反射波长和写入波相同的光纤反射器，通过加外力的方法使光栅的调谐范围较小，大大限制了他的应用。此后由于制作工艺及应用的局限这项技术一直未得到进一步的发展，历经十年进展缓慢。直到1989年，美国的Meltz等人利用两束干涉的紫外光从光纤的侧面成功地写入了光栅，研制成功Bragg光纤光栅滤波器。Archambult等人也报道了用单个准分子激光器制作近100%反射率的Bragg光纤光栅滤波器的方法。这标志着光纤光栅技术进入了快速发展的阶段。此后随着写入方法的不断改善；光敏性的逐渐提高；各种特种光栅也相继问世；同时光纤光栅的应用前景也得到了广泛的关注。特别是近年来光纤光栅在光通信、光纤激光器和光纤传感器等领域的应用越来越受到人们的重视，取得了令人瞩目的成就。随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化,专家们预言,从光纤通信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次变革性飞跃。光纤光栅的出现将改革人们在光纤技术应用中的传统设计思想,可以说光纤光栅技术是继掺铒光纤放大器(EDFA)技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。光纤光栅在应用上的一个重大突破就是使各种光学器件的全光纤化和集成化成为可能。诸如光纤光栅激光器、光纤光栅滤波器、分接头、波分复用器及解复器等器件的研究都取得了相当快的进展。光纤光栅以其造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰等优良性能，被广泛应用于光纤通信和光纤传感等各个领域。尤其是它易于集成的特性，使得全光纤一维光子器件集成成为可能。此外,作为信息摄取的光纤光栅传感器及其应用即3S届毕业设计4系统（SmartMaterial,SmartStructure,SmartSkin）已经引起科学界极大关注并成为研究热点。这是一种将光纤光栅技术、光纤神经网络、光纤致动仪器有机的结合为一体，把光纤光栅埋入或贴附在飞机、船舶、坦克等运载体表面或建筑体（楼房、桥梁、大坝等）承力件外蒙皮的复合材料中，可制成灵敏材料、灵敏结构和灵敏皮肤的智能传感系统。这些研究成果对全光信息发展的巨大推动作用可能会大大超出人们的想象。3S系统的出现标志着对光纤光栅技术的研究又进入个一个崭新的时代。1.2光纤光栅的分类光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件，根据物理机制的不同，可分为蚀刻光栅和折射率调制的位相光栅两类。前者在光纤结构中形成明显的物理刻痕，后者主要在纤芯中形成折射率周期分布。在学术研究和实际应用等各方面后者均占主导地位。因此，通常所说的光纤光栅指的是折射率调制的位相光栅。依据不同的分类标准可以把光纤光栅分类如下：一、根据成栅机制的不同分类：根据成栅机制光栅可以分为三种类型，分别称之为型、型和型（A型）光纤光栅。1.型光纤光栅：连续或者能量较弱的多个脉冲光波在光敏光纤中形成的传统意义上的光折变光栅被称之为型光栅。它有较理想的透射谱，反射率可以达到百分之几十，满足布拉格条件时短波一侧没有明显的的耦合损耗，但由于在比较低的温度下光栅会开始变弱或消失，因此热稳定性差。2.型光纤光栅：由单个能量密度很高的光脉冲曝光形成。能量非均匀的激光脉冲被纤芯石英强烈放大造成纤芯物理损伤，从而产生了光栅现象。型光栅的主要特点体现为：对蓝、绿光不敏感，带宽较大(15nm)；具有很强的将光能耦合到包层或辐射模中的能力，但也因此造成较大的插入损耗；同时在满足布拉格条件时反射谱短波一侧有很强的传输