毕业论文---光纤加速度传感器系统研究.doc

题目：光纤加速度传感器系统研究 第一章 绪论 1.1研究背景和意义 近20年来，随着光纤通信技术的不断发展和成熟，光纤传感器的应用前景也越来越广阔，它与传统的传感技术相比，光纤具有质量轻，纤芯细，抗电磁干扰能力强，抗腐蚀，耐高温高压，信号衰减小，集信息传感和传输与一体等优点，使其用途广泛。例如可以将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中形成智能材料，可对大型构件的应力，振动，温度和载荷等参数进行实时安全监测；也可用于对有毒，有害气体的环境监测；还包括应用于政府机构或军事重地等敏感区域和设施的安防预警技术与系统；应用于飞船，飞机等航空航天器以及潜艇，舰船的结构健康监测等。 当前，全球地质活动频繁，使得地震灾害时常发生，造成了惨重的人员伤亡和财产损失。例如2011年3月11日，日本东北部海域发生里氏9.0级地震并引发，日本福岛第一核电站14号机组发生核泄漏事故造成13人死亡、14人失踪69227人遇难，374643人受伤，失踪17923人美国Micron Optics公司设计了一种基于光纤布拉格光栅的Os7100光纤加速度传感器，它采用标准螺纹结构连接与结构表面，并且可以组合成双轴或三轴结构，同时基于光纤布拉格光栅技术的自身优势，可在一根光缆上串联许多个传感器。 图1-2 顺变柱体型光纤加速度传感头结构 顺变柱体采用的是室温硫化硅橡胶材料，它在0-100摄氏度的范围内，杨氏模量随频率的变化很小，而且与温度的变化几乎是一条直线，传感光纤采用的是单模阶跃型SiO2光纤，工作波长为1310nm，工作频率范围为695Hz-15614Hz，加速度灵敏度为1.99*103rad/g。 中国科学院半导体研究所采用了一种等强度悬臂梁结构的光纤加速度传感器，悬臂梁是由碳质纤维材料制成的等强度悬臂梁，从俯视图看，悬臂梁是等腰三角形，它一端与惯性质量块联结在一起，另一端固定在机座上，光纤布拉格光栅粘在等强度悬臂梁的中轴线上，由等强度悬臂梁，光纤布拉格光栅，惯性质量块以及外壳构成一个单自由度系统。当传感系统感受到外界的振动时，惯性质量块会随之振动，在惯性力的作用下，会压缩和拉伸等强度悬臂梁，从而使得悬臂梁上面的光纤布拉格光栅也受到应力作用，引起光纤布拉格光栅的中心波长漂移，通过检测中心波长变化，就可得到相应的加速度值。 图1-3 悬臂梁式光纤加速度传感探头结构 图1-4 悬臂梁式光纤加速度传感探头结构俯视图 这种结构的灵敏度可以达到4.5pm/g，悬臂梁的固有频率为1651.4Hz，光纤光栅的中心波长为1550.76nm。 上文重点介绍了几种光纤加速度传感器的 1.3本文的主要研究内容 第二章 光纤加速度传感器的理论基础 2.1 引言 光纤Bragg光栅作为光纤加速度传感器的核心传感单元，具有损耗低，光谱特性好，容易与光纤连接，高性能等特点，而且作为传感元件，还有一些明显优于其它传感器的地方，如它的传感信号为波长调制，使得测量信号不会受到光纤连接或弯曲损耗，光源起伏等因素的影响；能够避免相位测量中的不清晰和需要固定参考点，适合作为分布式传感元件埋入结构内部，实现对内部压力，温度，应变等的测量。 本章首先分析了光纤Bragg光栅的传感基理，然后再介绍了光纤Bragg光栅的制作工艺。 2.2光纤布拉格光栅的传感基础 2.2.1光纤光栅的理论模型 在1978年，加拿大渥太华研究中心的hill等人首次观察到掺锗石英光纤中的光敏效应，并采用驻波写入法制成第一只光纤光栅，1989年美国联合技术研究中心的G.Meltz等人又发展了紫外激光侧面将任意工作波长的位相光栅写入纤芯，形成光纤光栅。使得光纤光栅的制作技术取得了突破性的进展。光纤光栅是近几年来发展最快的光纤无源器件之一，具有全光纤结构，高反射损耗，低插入损耗等优点，使得它在光纤通信和光纤传感等领域有广阔的应用前景。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，就其本质讲是由于光纤芯区折射率周期性的变化，使得光纤波导的条件发生改变，进而会使一定波长相对应的模式产生耦合，导致反射光谱和投射光谱对该波长出现奇异性。光纤光栅分为均匀周期光纤光栅和非均匀光纤光栅，均匀周期光纤光栅的光学周期沿轴向保持不变，主要有光纤Bragg光纤光栅，长周期光纤光栅和倾斜光纤光栅这三类，非均匀光纤光栅的栅格周期折射率调制深度不为常数或沿光纤轴向不均匀，它主要有相位光纤光栅，啁啾光纤光栅，取样光纤光栅和变迹光纤光栅等。 光纤Bragg光纤光栅是目前应用比较广泛的一种光纤光栅，光栅的栅格周期一般为100nm量级，光纤的轴向与光栅的波矢方向一致，这种光栅具有较高的反射率和较窄的反射谱，它的反射率和反射带宽可以通过改变写入条件来加以调节和控制。该光栅具有良好的应变灵敏度和温度特性，结构也简单，在光纤传感，光信息处理，光纤通信，光计