光纤光栅用负热膨胀基板的研究

论文摘要

光纤Bragg光栅（FBG）凭借其体积小、重量轻、不受电磁干扰及插入损耗低等优良特性,成为了近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一,被广泛应用于光纤通信及传感领域。在光纤传感领域,由于光纤光栅本身的温度敏感性,在应变测量时,其中心波长会同时受到应力和温度的影响,严重影响了测量的准确度,因此对光纤光栅进行温度补偿具有非常重要的实际意义。在深入研究光纤Bragg光栅温度补偿原理并进行大量实验及理论计算的基础上,设计了一种光纤光栅的温度补偿结构,实现了对光纤光栅的温度补偿。首先对具有负热膨胀系数的ZrW2O8粉末进行烧结,进行对比试验发现空冷是最佳的冷却方式,由此得到具有负热膨胀系数的陶瓷基板。通过光纤预拉装置将光纤光栅粘贴到陶瓷基板上,使其产生一个预拉波长。当温度升高时,具有负热膨胀系数的陶瓷基板发生收缩,光纤光栅的预应变减少,这一部分减少的预拉波长与温度升高引起的波长正漂移相抵消,从而实现光纤Bragg光栅的温度补偿。分析了了光纤Bragg光栅所加预应力的大小对补偿效果的影响,设置对照实验得出光纤光栅比较合适的预拉波长大约为0.6nm。通过调整陶瓷基板的烧结温度以及保温时间,探索出了最佳的烧结工艺参数为1180℃下保温0.5h,利用此工艺下烧结而得的陶瓷基板对光纤光栅进行温度补偿,在20℃60℃温度范围内光纤光栅的温度系数仅为0.25pm/℃,温度敏感性降低了40倍。最后,将经过温度补偿的光纤光栅连接到金属拉伸板上以模拟实际应用时的情况,其温度灵敏度只是略微增大为0.675 pm/℃,拉伸实验的线性和重复性良好,可以用于实际应变测量。

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Abstract

1 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

1.2 光纤光栅的概况及应用

1.2.1 光纤光栅的概况

1.2.2 光纤光栅传感器的优点

1.2.3 光纤光栅传感器的工程应用

1.3 光纤Bragg光栅温度补偿技术

1.3.1 过程补偿方式

1.3.1.1 有源温度补偿

1.3.1.2 无源温度补偿

1.3.2 温度的结果补偿

1.3.2.1 参考光栅法

1.3.2.2 双波长叠加FBG法

1.3.2.3 双参量矩阵法

1.4 本文的主要研究内容及创新点

2 钨酸锆及其致密化

2.1 钨酸锆的概况及负热膨胀机理

2.1.1 钨酸锆的基本性质

2.1.2 热膨胀系数

2.1.3 钨酸锆的负热膨胀机理

2.2 陶瓷的烧结方法

2.2.1 热压烧结

2.2.2 反应热压烧结

2.2.3 无压烧结

2.2.4 等离子放电烧结

2.3 烧结的过程及机理

2.3.1 烧结的定义及过程

2.3.2 烧结的驱动力

2.3.3 双球模型简介

2.4 本章小结

3 温度补偿理论计算

3.1 光纤Bragg光栅传感原理

3.2 光纤Bragg光栅温度补偿结构及补偿理论

3.3 光纤Bragg光栅的温度及应变特性的实验验证

3.3.1 光纤Bragg光栅的温度特性验证

3.3.2 光纤Bragg光栅的应变特性验证

3.4 本章小结

4 陶瓷基板的烧结及测试

4.1 陶瓷基板的烧结实验

4.1.1 仪器设备

4.1.2 原料与试剂

4.1.3 实验过程

4.1.4 不同冷却方式结果分析

4.2 温度补偿测试系统的组建

4.2.1 温度特性测试系统介绍

4.2.2 光纤光栅的预拉及粘贴

4.3 负热膨胀基板的温度补偿结果验证

4.4 不同预应变对补偿结果影响

4.5 本章小结

5 完全补偿工艺的探索

5.1 材料厚度对补偿效果的影响

5.1.1 材料厚度对补偿效果的影响的仿真验证

5.1.2 材料厚度对补偿效果的影响的实验验证

5.2 烧结温度和保温时间对材料补偿效果的影响

5.3 材料补偿效果的时间稳定性

5.4 本章小结

6 负热膨胀基板拉伸实验及分析

6.1 减敏片的结构及减敏原理

6.1.1 减敏片结构介绍

6.1.2 减敏片的减敏原理

6.2 负热膨胀基板温度测试

6.3 负热膨胀基板拉伸性能测试

6.4 负热膨胀基板低温性能测试

6.5 本章小结

7 结论与展望

致谢

参考文献

附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 顾继盛

导师: 洪亮

关键词: 中心波长,负热膨胀系数,钨酸锆,温度补偿

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 南京理工大学

分类号: TN253

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.001104

总页数: 76

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