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温度自补偿式光纤Bragg光栅应变传感器

作　者: 陈敏
导　师: 李川
学　校: 昆明理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 光纤Bragg光栅 应变测量 温度补偿 双金属管结构
分类号: TP212.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


根据光纤光栅传感特性可知,光纤Bragg光栅在本征上对温度、应变均敏感,其中心波长会随着环境温度和所受应力应变的变化而产生移位。当光纤Bragg光栅应用于应变测量时,光纤Bragg光栅本身很难分辨出温度变化和应力变化分别引起的波长移位,从而产生温度、应变交叉敏感问题。因此在应变测量中,需要对光纤Bragg光栅进行温度补偿,消除温度变化对Bragg波长移位的影响。本文设计的光纤Bragg光栅应变传感器采用双金属管结构对光纤Bragg光栅进行封装,光纤Bragg光栅的两端与光纤连接后粘贴于两个带孔内管之间,带孔螺纹内管通过螺纹固定于外管两端。带孔螺纹内管采用热膨胀系数较大的材料制成,外管采用热膨胀系数较小的材料制成,且外管较薄,内管较厚。当温度升高时,外管沿轴向向外膨胀,带孔螺纹内管自由端沿轴向向内膨胀,利用内、外管的热膨胀系数之间的差值,抵消光纤Bragg光栅由于热膨胀和光热效应发生的形变,从而解决温度变化对光纤Bragg光栅的峰值波长的影响,达到Bragg波长只受外加应力应变的影响。本文完成的主要工作如下：1、根据双管结构,建立了光纤Bragg光栅应变传感器的模型。2、对光纤Bragg光栅应变传感器进行了材料选择,并根据材料选择以及尺寸的设计,对应变传感器的参数进行了理论计算。当外管材料选为钢,外径取10 mm,内径取8 mm,长度100mm；带螺纹内管材料选为铜,外径取8mm,内径取3 mm,长度20 mm；不带螺纹内管外径取5 mm,内径取3 mm,长度10 mm时,达到温度自补偿效果,理论上此时温度灵敏度为0 pm/℃,应变灵敏度为1.215 pm／με。3、将加工好的各单体器件进行组装后,通过水浴法验证封装后的光纤Bragg光栅应变传感器的温度灵敏度,得到实验温度灵敏度为2.64 pm／℃。本实验采用的Bragg光栅的中心波长是1550 nm,而中心波长1550nm的裸光栅的理论温度灵敏度为10.8pm／℃,本实验的温度灵敏度仅为裸光栅的1／5。4、采用砝码干校法进行应变实验,根据实验数据,得到光纤Bragg光栅应变传感器的实验应变灵敏度为：加载1.392 pm／Kg,卸载1.394 pm／Kg；非线性误差为：加载2.14%,卸载3%；重复性误差：加载3%,卸载3%。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章 绪论  8-14
  1.1 引言  8
  1.2 光栅测量中外加应力应变与温度的交叉影响  8-12
    1.2.1 应变补偿  8-9
    1.2.2 温度补偿  9-12
  1.3 小结  12-14
第二章 温度自补偿式光纤Bragg光栅应变传感器的设计  14-20
  2.1 引言  14
  2.2 光纤Bragg光栅应变传感器的传感结构  14-15
  2.3 光纤Bragg光栅应变传感器的工作原理  15-18
    2.3.1 应变响应工作原理  15-16
    2.3.2 温度补偿工作原理  16-17
    2.3.3 传感模型  17-18
  2.4 小结  18-20
第三章 温度自补偿式光纤Bragg光栅应变传感器的研制  20-28
  3.1 引言  20
  3.2 传感器的加工材料  20-21
    3.2.1 内、外管材料的选取  20-21
    3.2.2 内、外管尺寸的确定  21
  3.3 传感器的加工原理图及其加工、组装  21-23
    3.3.1 内管的参数及其加工  21-22
    3.3.2 外管的参数及其加工  22-23
  3.4 传感器的总装  23-27
    3.4.1 粘贴剂的选取  23-24
    3.4.2 光纤Bragg光栅的粘贴  24-26
    3.4.3 传感器的防水密封  26
    3.4.4 传感器单元器件的总装图  26-27
  3.5 传感器的理论参数  27
  3.6 小结  27-28
第四章 温度自补偿式光纤Bragg光栅应变传感器的测试  28-50
  4.1 引言  28
  4.2 实验原理  28-30
  4.3 实验与数据分析  30-48
    4.3.1 实验过程  30-42
    4.3.2 实验数据分析  42-48
  4.4 小结  48-50
第五章 总结与展望  50-52
  5.1 总结  50
  5.2 展望  50-52
致谢  52-54
参考文献  54-58
附录A 攻读硕士学位期间发表论文与参加课题  58

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器 > 物理传感器 > 光传感器
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