基于多芯結構的光纖傳感器研究.pdf

1、對與許多結構物，由于在載荷的作用下會發(fā)生彎曲和扭轉，有時還伴隨著溫度熱膨脹帶來的影響。“智能結構”可主動矯正或補償這些彎曲或扭轉，因而常常需要測量或監(jiān)測這些連續(xù)結構的彎曲形變和扭轉。在連續(xù)結構物中，結構梁的變化通常是由于彎曲和扭轉而產生的，這樣就需要對彎曲和扭轉進行優(yōu)化組合測量。常規(guī)的做法是借助于梁的上下兩個應變片就可以測量彎曲，這是電子學采用的測量方法。這些傳感器既可以表面粘貼，也可以埋入結構內部。 一方面，這種結構物需要進行

2、彎曲形變、扭轉和溫度梯度等多參數(shù)測量。另一方面，一段四芯光纖的遠場干涉圖會對彎曲形變、扭轉和溫度梯度這些參量變化給出響應。本工作的目的就是建立起二者的聯(lián)系。四芯光纖作為四光束單根光纖干涉儀可以自動補償由于溫度熱膨脹所帶來的影響，僅對絕對彎曲、扭轉和溫度梯度敏感。從而導致遠端干涉光場格子圖的移動或旋轉。 本文在國外多芯光纖領域的研究成果的基礎上，深入研究了多芯光纖的結構和特性，以及在傳感器領域的應用，提出了用多芯光纖構造多種傳感系

3、統(tǒng)的設想。自行設計并研制了三種基于新型多芯光纖的傳感器，通過大量實驗測量，獲得了這三種傳感單元的技術參數(shù)。從多芯光纖的出射光場干涉圖入手，建立了理論模型，分析了每個傳感單元的特性，從實驗上驗證了理論模型的正確性。 本文的主要工作包括：設計并實現(xiàn)了幾種新型多芯光纖，對其幾何結構參數(shù)進行了測量；開展了多芯光纖遠場干涉特性的研究；進行了多芯光纖溫度梯度傳感器的理論與實驗研究；建立了多芯光纖彎曲與應變傳感器的理論模型并給出了實驗結果。討

4、論了多芯光纖扭轉傳感器的可能方案，進行一系列實驗測量與分析。研究結果表明，多芯光纖溫度梯度傳感系統(tǒng)能夠完成對溫度變化的監(jiān)測；彎曲與應變傳感系統(tǒng)能完成對物體受壓力等外力作用下的形變程度的測量；在90度測量范圍內，扭轉傳感系統(tǒng)在完成對旋轉角度大小測量的同時，還具有辨別旋轉方向的功能。通過二芯光纖和四芯光纖的實驗發(fā)現(xiàn)，二芯光纖的出射光場干涉圖案是條紋，對于扭轉傳感測量更加方便，四芯光纖的出射光場干涉圖是有規(guī)律排列的正方形網(wǎng)格，方便于彎曲與應變