光柵布拉格光柵及其傳感特性研究論文-文庫吧資料
2025-06-24 19:28本頁面
【正文】 精度也往往決定著整個系統(tǒng)的傳感精度，所以說解調系統(tǒng)是光纖光柵傳感系統(tǒng)的核心。光纖光柵傳感網(wǎng)絡的結構形式主要取決于適于傳感器調制和定位的方法，因此光纖光柵傳網(wǎng)絡中最核心的部分就是光纖光柵的調制解調系統(tǒng)，最關鍵的技術就是多個傳感光柵的復用定位技術。這些信息可以通過光載波的幅度(強度)、相位(由干涉儀轉化為強度)、偏振態(tài)(由檢偏器轉化為強度)、或光譜分布(有光譜儀轉化為強度)等形式調制或編碼。圖 22 光纖布拉格光柵兩個偏振模式下波長移動量差值與徑向載荷之間的關系曲線三 光纖光柵傳感器的敏化與封裝 光纖光柵傳感器的溫度敏化 光纖光柵傳感器的應力敏化 光纖光柵傳感器的交叉敏感及其解決方法四 光纖光柵傳感網(wǎng)絡與復用技術由光纖光柵傳感器件(包括FBG、LPFG等)經(jīng)過某些特定的連接方式組合而成的傳感網(wǎng)絡，就是光纖光柵傳感網(wǎng)絡。圖 21 橫向負載下的光纖布拉格光柵截面和反射光譜在溫度不變的情況下，當只有徑向力作用于光纖時，光纖的軸向應力假設為零(實際中，由于最終采用的波長差檢測方法，所以即使存在軸向應變，也會在測量結果中被消除) ，此時，諧振波長的移動量將僅僅是有效折射率的函數(shù)，這樣，在光纖的中心(如圖21所示)，沿著相互正交的兩個方向上，由于徑向應力的作用引起的有效折射率的變化可以表示為： (213) (214)式中：和分別為兩個正交方向上的初始的有效折射率；和為光纖的彈光系數(shù)；和為光纖的楊氏彈性模量和泊松比；和分別為光纖中心處的壓力分量。因此，如果在一只光纖布拉格光柵上施加徑向載荷，將會導致兩種偏振態(tài)的反射光譜的分離，其各自反射譜的諧振波長可表示為： (210) (211)式中：和是兩個偏振模的有效折射率；為光纖布拉格光柵的柵格間距。假設應力和溫度所引起的光纖布拉格光柵中心波長變化是相互獨立的，當應力和溫度同時發(fā)生變化時，光纖布拉格光柵的中心波長變化為： (29)公式(210)是光纖布拉格光柵傳感技術的理論基礎。一般裸露的光纖布拉格光柵的壓力傳感測量的理論公式如下： (25)假設： (26) (27)式中：代表光纖的楊氏模量，代表光纖的泊松比，和是光纖的光壓系數(shù)。公式(24)就是裸光纖布拉格光柵溫度測量的一般計算公式。 光纖布拉格光柵溫度傳感器當光纖布拉格光柵不受應力作用時，溫度變化引起中心反射波長的移動可表示為： (24)式中：為光纖的熱脹系數(shù)，描述光纖布拉格光柵的柵格間距隨溫度的變化關系；為光纖的熱光系數(shù)，描述光纖布拉格光柵的有效折射率隨溫度的變化關系。假設光纖布拉格光柵是絕對均勻的，也就是說，柵格間距的相對變化率和光柵段的物理長度的相對變化率是一致的。當光纖布拉格光柵僅受應力作用時，折射率和柵格間距發(fā)生變化，引起中心反射波長移動，因此有： (22)式中：為折射率的變化，為柵格間距的變化。由公式(21)可知，光纖光柵的中心反射波長隨和的改變而改變。二 光纖布拉格光柵傳感器 光纖布拉格光柵應力傳感器由耦合模理論可知，光纖布拉格光柵的中心反射波長為： (21)式中：為導模的有效折射率，為光柵的柵格間距。與普通FBG相比其對溫度、應變等的靈敏度更高，且具有低反射、測量方法簡便等優(yōu)點，是一種理想的傳感元件，在光纖光柵傳感領域有重要應用。與光纖布拉格光柵不同，它不是將某個波長的光反射，而是將特定波長的光耦合到包層中損耗掉，從而在透射譜中形成寬帶損耗峰，因此可用作摻餌光纖放大器(EDFA)的增益平坦元件。由于包層模耦合引起的諧振峰與布喇格反射峰對外界環(huán)境參量(如溫度、應變、折射率等)具有不同的響應特性，故超結構光柵是一種理想的多參量傳感元件。這種光纖光柵的反射譜具有一組分立的反射峰，故可用做梳狀濾波器，在多波長光纖激光器、可調諧分布布拉格反射光纖激光器、以及多通道色散補償?shù)确矫嬗袧撛诘膽?。相移光纖光柵可以看做是若干個周期性光柵的不連續(xù)連接，每個不連續(xù)連接都會產(chǎn)生一個相移，它能夠在周期性光柵的光譜阻帶內(nèi)打開一個透射窗口，使得光柵對某一波長或多個波長有更高的選擇度。閃耀光纖光柵的光譜特性類似于均勻光纖光柵，也有旁瓣。這種光柵的兩端折射率分布逐漸遞減至零，消除了折射率突變，從而使它的反射譜不存在旁瓣。線性啁啾光纖光柵是折射率調制幅度不變、周期沿光柵軸向線性變化的光柵，線性啁啾光纖光柵諧振峰兩邊也有一些旁瓣，產(chǎn)生的原因與均勻光纖光柵一樣，也不利于應用。 線性啁啾光纖光柵柵格間距不等的光柵，通常稱為啁啾光纖光柵。由這種均勻光柵的光譜特性可知，在一定帶寬的諧振峰兩邊有一些旁瓣，這是由于光纖光柵兩端的折射率突變引起的FabryPerot效應所致。色散補償型光纖光柵屬于非周期型光纖光柵，又稱為啁啾光纖光柵。非周期性光纖光柵結構制造困難，但其特性容易滿足各種要求。 光纖光柵的類型光纖光柵按結構的空間周期分布是否均勻可分為：周期性光纖光柵和非周期性光纖光柵。利用此方程和光纖光柵的折射率分布、結構參量及邊界條件，并借助于四階RungeKutta數(shù)值算法，可求出光纖光柵的光譜特性。光纖芯區(qū)折射率周期變化造成光纖波導條件的改變，導致一定波長的光波發(fā)生相應的模式耦合，對于整個光纖曝光區(qū)域，可以由下列表示折射率分布較為一般的描述： (11)式中：為光纖纖芯半徑；為光纖包層半徑；為纖芯初始折射率；為包層折射率；為光致折射率變化函數(shù)，在光纖曝光區(qū)，其最大值為；為折射率變化最大值。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印
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