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光纤Bragg光栅传感系统若干技术研究

作　者: 邹红波
导　师: 梁大开
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 光纤Bragg光栅级联长周期光栅光谱重构量子粒子群优化算法光子晶体光纤Bragg光栅
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器是光纤传感器家族中的一员，它不仅具有光纤传感器的所有优点，包括柔软、可挠曲、尺寸小、质量轻、电绝缘、耐腐蚀、工作中不发热、无辐射、抗电磁干扰且能在易燃易爆、毒性气体等复杂环境条件下工作，而且具有灵活的复用能力，包括波分复用、时分复用、空分复用，这种复用能力能较方便的实现分布式传感。FBG传感器这些独特的优点使得其在航空航天、土木工程等领域有着广阔的应用前景，成为近年来国内外的研究热点。在本文中，对FBG传感系统的一些问题包括FBG的封装、FBG的解调、FBG的光谱重构进行了研究。对这些问题的研究，将会进一步推进FBG传感系统的研究，同时拓宽FBG传感系统的应用领域。另外，对新型的FBG—光子晶体光纤Bragg光栅（PhotonicCrystal Fiber Bragg Grating, PCFBG）的研究将促使FBG进入一个新的研究领域，同时也将扩展FBG传感系统的应用领域。故此，本文也对PCFBG技术进行了研究。全文的研究内容主要包括以下几个方面：(1)对FBG进行理论分析，介绍了FBG的应变和温度传感模型，基于该模型对FBG的应变和温度传感特性进行了分析。在此基础上对FBG的温度和应变封装技术做了理论探讨和实验研究，从增敏和减敏两个方面对FBG温度和应变封装技术进行讨论。(2)为实现FBG传感信号的解调，提出了基于级联长周期光栅的FBG解调系统，并对其进行了改进。级联长周期光栅是由两个参数相同的均匀长周期光纤光栅和一段普通单模光纤连接而成，利用级联长周期光栅的带阻滤波特性，获得FBG反射光经级联长周期光栅调制后的出射光，通过光电探测器监测光强的改变量来反推FBG中心波长的变化。通过FBG温度、静态应变以及动态应变（振动）实验对该解调系统及其改进系统的性能进行了研究。(3)提出一种利用量子粒子群优化算法对FBG进行参数重构的方法，并与粒子群优化算法进行了对比。该方法以光纤光栅的参数作为计算变量，光纤光栅的反射谱作为目标函数，已知反射谱和重构反射谱之间的误差函数作为适应度函数，通过寻优找到适应度函数小的最优个体。利用量子粒子群优化算法和粒子群优化算法分别对均匀FBG和线性啁啾光纤光栅两种光纤光栅的参数进行了重构。(4)进一步将粒子群优化算法和量子粒子群优化算法用于FBG传感器的非均匀应变和温度重构中，分别通过4种非均匀的应变和温度分布来检验算法的有效性和可靠性。同时对量子粒子群优化算法的重构结果和粒子群优化算法的重构结果进行了对比。(5)利用OptiFDTD软件结合耦合模理论，研究PCFBG的反射谱特性。并进一步研究了结构改变（间隙孔半径、材料折射率、空气孔塌陷）对PCFBG反射谱特性的影响。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-18
第一章绪论  18-25
  1.1 引言  18
  1.2 光纤光栅传感技术的应用概况  18-21
  1.3 FBG 传感系统相关技术研究现状  21-23
    1.3.1 FBG 封装技术研究现状  21
    1.3.2 FBG 解调技术研究现状  21-22
    1.3.3 FBG 光谱重构技术研究现状  22-23
    1.3.4 PCFBG 技术研究现状  23
  1.4 本文研究内容  23-25
第二章 FBG 封装技术研究  25-42
  2.1 FBG 传感原理  25-28
    2.1.1 FBG 应变传感原理  26-27
    2.1.2 FBG 温度传感原理  27-28
  2.2 FBG 温度封装技术研究  28-32
    2.2.1 工作原理  28-29
    2.2.2 FBG 温度增敏实验  29-32
    2.2.3 FBG 温度减敏研究  32
  2.3 FBG 应变封装技术研究  32-41
    2.3.1 工作原理  33-34
    2.3.2 增敏/减敏型应变传感器参数  34-36
    2.3.3 有限元分析  36-38
    2.3.4 实验研究  38-41
  2.4 本章小结  41-42
第三章 FBG 解调技术研究  42-68
  3.1 FBG 波长解调方法概述  42-47
    3.1.1 单光纤光栅的解调  42-46
    3.1.2 复用光纤光栅的解调  46-47
  3.2 基于级联长周期光栅的解调法  47-54
    3.2.1 解调原理  48-49
    3.2.2 解调系统的搭建  49-54
  3.3 实验研究  54-60
    3.3.1 温度解调实验  54-57
    3.3.2 静态应变解调实验  57-58
    3.3.3 振动监测实验  58-60
  3.4 解调系统的改进  60-67
    3.4.1 原理  60-63
    3.4.2 实验研究  63-67
  3.5 本章小结  67-68
第四章 FBG 参数重构研究  68-79
  4.1 粒子群优化算法  68-70
  4.2 量子粒子群优化算法  70-71
  4.3 均匀 FBG 参数重构的 PSO 和 QPSO 实现  71-75
    4.3.1 目标函数  71-72
    4.3.2 适应度函数  72
    4.3.3 仿真结果  72-75
  4.4 线性啁啾 FBG 参数重构的 PSO 和 QPSO 实现  75-78
    4.4.1 目标函数  75-76
    4.4.2 适应度函数  76
    4.4.3 仿真结果  76-78
  4.5 本章小结  78-79
第五章 FBG 非均匀应变/温度重构研究  79-100
  5.1 FBG 非均匀应变/温度下反射谱计算  79-82
    5.1.1 FBG 非均匀应变下的反射谱  79-81
    5.1.2 FBG 非均匀温度下的反射谱  81-82
  5.2 基于 PSO 和 QPSO 的非均匀应变重构研究  82-91
    5.2.1 线性应变  84-85
    5.2.2 二次分布应变  85-86
    5.2.3 正弦分布应变  86-88
    5.2.4 不连续分布应变  88-89
    5.2.5 结果分析  89-91
  5.3 基于 PSO 和 QPSO 的非均匀温度重构研究  91-98
    5.3.1 线性温度  91-93
    5.3.2 二次分布温度  93-94
    5.3.3 正弦分布温度  94-95
    5.3.4 不连续分布温度  95-97
    5.3.5 结果分析  97-98
  5.4 本章小结  98-100
第六章 PCFBG 反射谱特性研究  100-112
  6.1 理论基础  100-103
    6.1.1 OptiFDTD 软件介绍  100-101
    6.1.2 耦合模理论  101-103
  6.2 数值模拟  103-111
    6.2.1 间隙孔半径变化对 PCFBG 反射谱的影响  105-106
    6.2.2 材料变化对 PCFBG 反射谱的影响  106-108
    6.2.3 空气孔塌陷对 PCFBG 反射谱的影响  108-111
  6.3 本章小结  111-112
第七章总结与展望  112-115
  7.1 全文的主要研究工作  112-114
  7.2 展望  114-115
参考文献  115-124
致谢  124-125
在学期间的研究成果及发表的学术论文  125

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