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基于啁啾光纤光栅偏振特性的小线度横向作用应力传感研究与设计

2020-12-02阅读(880)

基于啁啾光纤光栅偏振特性的小线度横向作用应力传感研究与设计

论文摘要

线性啁啾光纤光栅受到横向应力作用而作用线度即光纤光栅受力区域长度与光纤直径处于同一数量级时,不能忽略该区域的轴向展宽。本文在啁啾光纤光栅受到小线度的横向应力的条件下,基于空间弹性力学受力分析,根据轴向展宽导致的相移,结合相移线性啁啾光纤光栅相移点位置与光谱透射峰位置对应特性,及横向应力导致的双折射现象,建立了利用偏振相关损耗和斯托克斯参量实现小线度横向应变传感的两种理论模型。计算分析结果表明:线性啁啾光纤光栅在小线度横向应力条件下,受力大小与光纤透射系数呈指数相关,而与偏振相关损耗谱峰值大小呈线性变化关系。而偏振相关损耗谱峰波长与横向应力作用位置相对应,且与应力大小有关。同样在小线度横向应力条件下,应力大小在弹性限度范围内与Stokes-s1参量峰值呈线性变化关系。而Stokes-s1参量谱峰波长与与应力大小有关,同样与横向应力作用位置相对应。通过分析透射谱的Stokes-s1参量或者PDL,可实现对横向应力大小和位置传感。结合现有条件,对斯托克斯参量与横向应力变化的理论模型进行了实验测量和验证。由于受力线度相比传统封装的横向应力传感器,受力区域从整个栅区缩小到很小的线度内,有效地增加了单位栅区长度上的压强,提高了应力变化作用于光纤光栅的应力大小变化程度,从而增加了光纤光栅传感的灵敏度。并且由于小线度横向应力作用下的光栅特性相比于全栅区作用时具有相移光栅特性,相应可以反映例如受力位置与偏振特性峰值的对应关系等,因此具有更好的实际应用价值。实际应用中通过固定封装点式受力区的线度大小,可以有效增敏横向应力的测量;如果使用一组点式受力区位置不同的封装传感器,可以串接组成横向应力传感网络准确定位传感位置。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 引言
  •   1.2 光纤光栅的发展历程
  •   1.3 光纤光栅作为传感器的应用发展
  •   1.4 光纤光栅应力传感器的特性
  •   1.5 啁啾光纤光栅发展历程
  •   1.6 啁啾光纤光栅横向应力传感的问题
  •   1.7 论文主要内容
  • 第二章 光纤光栅基础理论和分析方法
  •   2.1 引言
  •   2.2 光纤光栅基本理论
  •     2.2.1 光纤光栅的模耦合理论
  •     2.2.2 光纤光栅的矩阵分析方法
  •   2.3 均匀光纤光栅的理论模型
  •   2.4 相移光纤光栅的基本理论
  •     2.4.1 相移光纤光栅的理论模型
  •     2.4.2 相移光纤光栅的特性
  •   2.5 啁啾光纤光栅的基本理论
  •     2.5.1 啁啾光纤光栅的理论模型
  •     2.5.2 啁啾光纤光栅的特性
  •   2.6 光纤光栅偏振分析理论
  •     2.6.1 斯托克斯参量
  •     2.6.2 偏振相关损耗
  • 第三章 光纤光栅小线度横向应力传感理论模型与分析
  •   3.1 光纤光栅局部受力弹性力学分析
  •   3.2 应力致双折射与PDL计算
  •   3.3 小线度受压区域栅区的周期变化与波长漂移
  •   3.4 啁啾光纤光栅小线度区域轴向形变致相移及其特性
  •   3.5 啁啾光纤光栅局部受压传输矩阵模型
  • 第四章 小线度横向应力作用下线性啁啾光纤光栅偏振特性仿真分析
  •   4.1 小线度横向应力下的啁啾光纤光栅光谱仿真
  •   4.2 偏振相关损耗PDL与横向压力对应关系的仿真分析
  •     4.2.1 仿真约束条件
  • T与横向小线度压力大小的关系'>    4.2.2 PDLT与横向小线度压力大小的关系
  • T与受力位置的关系'>    4.2.3 PDLT与受力位置的关系
  • T与受力线度大小的关系'>    4.2.4 PDLT与受力线度大小的关系
  • T最大峰值对应波长的漂移'>    4.2.5 PDLT最大峰值对应波长的漂移
  • 1参量与压力关系仿真'>  4.3 斯托克斯s1参量与压力关系仿真
  • 1参量对应关系的仿真分析'>    4.3.1 压力大小与Stokes-s1参量对应关系的仿真分析
  • 1参量峰值的关系'>    4.3.2 压力大小与Stokes-s1参量峰值的关系
  • 1参量峰值的关系'>    4.3.3 压力线度与Stokes-s1参量峰值的关系
  • 第五章 小线度横向应力下线性啁啾光纤光栅传感实验研究
  •   5.1 实验方案与计划
  •   5.2 1mm线度压力大小与斯托克斯参量的关系实验
  •   5.3 不同压力线度对斯托克斯参量与压力线性关系斜率的影响。
  •     5.3.1 0.5mm细针线度横向压力的影响
  •     5.3.2 1.5mm粗针线度横向压力的影响
  •     5.3.3 三种线度横向压力下的斯托克斯参量变化曲线比较与分析
  •   5.4 峰值波长的漂移现象
  •   5.5 实验结果分析与总结
  • 第六章 基于应用的理论研究和设计方案
  •   6.1 封装的理论研究和设计
  •     6.1.1 设计理念
  •     6.1.2 单个传感器封装设计方案与计算
  •     6.1.3 应力集中式封装方案
  •   6.2 传感器组网的理论研究和设计
  • 第七章 总结和展望
  •   7.1 本文工作
  •   7.2 论文创新点
  •   7.3 重要结论
  •   7.4 进一步工作
  • 参考文献
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 刁俊辉

    导师: 涂兴华

    关键词: 啁啾光纤光栅,应力,传感,偏振相关损耗,斯托克斯参量

    来源: 南京邮电大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

    单位: 南京邮电大学

    分类号: TN253;TP212

    DOI: 10.27251/d.cnki.gnjdc.2019.000529

    总页数: 74

    文件大小: 2218K

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