光纤传感器应力传感研究

女爷i 2024-04-06 13:28 177阅读 0赞

目 录  
第一章 绪 论 4  
1.1光纤传感技术原理 4  
1.2光纤传感技术特点 5  
1.3光纤传感技术的应用 5  
1.4光纤传感技术的研究现状及发展趋势 6  
1.5本论文研究内容 7  
第二章 光纤应力传感器 8  
2.1光强调制型光纤应力传感器 8  
2.2干涉型光纤应力传感器 8  
2.2.1 迈克尔逊相位调制型 9  
2.2.2马赫．曾德尔相位调制型 9  
2.2.3 萨格纳克相位调制型 9  
2.2.4法布里．珀罗相位调制型 10  
2.2.5白光干涉型光纤应力传感器 10  
2.3偏振型光纤应力传感器 11  
2.4光纤光栅应力传感器 11  
2.4.1布拉格光纤光栅(FBG)应力传感器 11  
2.4.2长周期光纤光栅(LPFG)应力传感器 12  
2.4.3啁瞅光纤光栅(CFBG)应力传感器 12  
第三章 Mach-Zehnder滤波器应力传感的理论分析 13  
3.1 Mach-Zehnder滤波器的基本原理 13  
3.1.1 基本原理 13  
3.1.2影响Mach．Zehnder滤波器输出功率谱的因素 14  
3.2 基于悬臂梁结构的Math．Zehnder滤波器应力传感原理 15  
3.2.1 滤波器一臂粘贴在悬臂梁上的应力传感 15  
3.2.2 滤波器双臂粘贴在悬臂梁上的应力传感 16  
3.2.3 温度变化对M．Z滤波器的影响 18  
第四章 单通道Mach-Zehnder滤波器应力传感的设计和测量 20  
4.1 Mach．Zehnder滤波器的制作 20  
4.1.1 光纤耦合器的制作 20  
4.1.2光纤Math．Zehnder滤波器的构成 22  
4.2 Math．Zehnder滤波器应力传感的实现 22  
4.2.1单臂粘贴在悬臂梁上的应力传感 22  
4.2.2双臂粘贴在悬臂梁上的应力传感 27  
第五章多通道Mach-Zehnder滤波器应力传感研究 30  
5.1 多通道Mach．Zehnder滤波器应力传感器的系统构成 30  
5.1 实验结果 32  
第六章 影响实验结果的因素 34  
第七章 总结与展望 37  
参考文献 38  
致 谢 42  
1.5本论文研究内容  
本论文研究内容主要包括以下几个方面：  
1．通过对现有文献和研究成果的学习，总结了目前应用比较广泛的几种类型的光纤应力传感器，给出了它们具体的系统结构及工作原理并总结了它们的优缺点。  
2．对基于Mach-Zehnder滤波器的光纤应力传感模型进行了理论分析，并从理论上对影响系统传感结果的因素进行了讨论。  
3．实验上搭建了单通道和多通道两种Mach．Zehnder应力传感系统，并且测试了其传感特性。  
4．将实验结果与理论曲线进行对比讨论，分析了产生误差的原因。  
第六章影响实验结果的因素  
在第四章和第五章中我们分别给出了单通道Mach-Zehnder滤波器和多通道滤波器实验数据与理论仿真曲线对比的曲线，由图中我们可以得出：测量结果和理论曲线存在一定的偏差，并且多次测量的结果之间也存在偏差。以下，我们就分析一下，在实验中，影响实验结果的各种因素。  
1、光纤Mach-Zehnder滤波器初始臂长差的影响  
我们在前面的理论分析中提到过，对于其他部分完全相同的系统(包括光源、  
解调系统、应力增敏部分等)来说，Mach-Zehnder滤波器的臂长差越小，应力敏感特性越好，对于臂长差为3.1lxl0-5m的滤波器单臂粘贴时，施加50g砝码重力，即0.49 N(重力加速度取9.8 m/s2)，理论上可以引起滤波器频率间隔从6．551 THz变化到1.006 THz，共变化了5.545 THz，而在我们实验中也产生了5.475 THz的变化，如果是双臂粘贴，理论上可以产生5.755 THz的变化。而对于双臂粘贴臂长差为0.0011lm的滤波器，在施加相同砝码的条件下，引起的频率间隔从0.184 THz变化到O.153 THz，共变化0.031 THz。从以上的数据中我们可以看出，初始臂长差对整个传感器能够测量的应力/应变精度影响是非常大的。在单通道测量曲线图3.7和3.10中我们可以看出，测量曲线在施加较多砝码时比施加与理论曲线的吻合要比施加较少砝码时要好，这是因为，在施加较少砝码时，滤波器的臂长差相对较短，因此，较少的应力变化就会引起较大的频率间隔的偏差；而当旋加砝码较多的时候，臂长差相对较长，这时，同样大小的应力变化所引起的频率间隔的偏差就会相对较小了。因此，在实验和理论曲线的后半部分会吻合的较好。  
2、悬臂梁及光纤粘贴的影响  
为了提高光纤Mach．Zehnder滤波器的应力敏感特性，我们将Mach-Zehnder  
滤波器的一臂或双臂粘贴在悬臂梁上，悬臂梁具有两个作用：一，在受应力作用  
时，通过悬臂梁的拉伸来带动附着其上的光纤使其拉伸，从而增大光纤的形变，  
使其对应力更加敏感；二，将横向的应力转化为纵向的应力，从而产生纵向的应  
变。因此，悬臂梁是整个系统的增敏元件，在整个传感器中也是及其重要的部分。  
其中、悬臂梁的形状、长度、宽度、厚度以及材料对其产生的形变都有影响。我  
们选择有机玻璃作为悬臂梁的材料，因为有机玻璃具有较小的杨氏模量、价格低  
廉且便于加工。在将光纤粘贴到悬臂梁上时，我们要尽量保证光纤以拉直的状态  
粘贴在悬臂梁的中轴线上。但是在粘贴过程中，以及胶黏剂固化的过程中，可能  
会导致光纤偏离中轴线的位置或者未处于完全拉直的状态以及产生残余应力。并  
且由于胶黏剂的影响，光纤和悬臂梁并不能完全紧密的粘贴在一起，即悬臂梁上  
的应变不能完全的传递到光纤上，这些也是导致理论与实验曲线不能够完全重合  
的重要原因。而且悬臂梁自身的参数，如长度、宽度、厚度以及杨氏模量等，由  
于测量仪器的影响，也会存在一定的偏差，这也是导致实验和理论产生偏差的一  
个因素。  
3、施加应力的影响  
在本实验中，我们采用在悬臂梁上悬挂砝码，利用砝码的重力来对悬臂梁施  
加横向应力，通过悬臂梁的作用，可以将横向的应力转化为纵向的应变，从而实  
现传感的。因而砝码是整个系统的定标元件，因此，砝码的精度对整个传感器也  
是非常重要的，只有砝码的质量精度比较高，才可能实现比较准确的标定。但是  
由于在长期的使用中，至使砝码产生污损；而且在悬挂砝码的时候，我们是将砝  
码用细绳记住顶端悬挂在悬臂梁末端的挂钩上的，在这个过程中我们忽略了细绳  
和挂钩对施加应力的影响，这些都会导致实验数据与理论曲线不能够重合。而其  
在长期的实验过程中，我们将悬臂梁一端固定在防震平台上，其余部分全部悬空，  
这样，悬臂梁自身的重力也会导致滤波器的臂长差发生微小的变化。这也是多次  
测量的实验曲线不重合的一个原因之一。  
4、固有参数的影响  
在本文中，我们采用的光纤折射率为1.4682，有机玻璃的杨氏模量为2.774x109N/m2，重力加速度为9.8 m/s，这些参数有的是厂家给出的(光纤折射率)，有的是资料中查得的。但是由于个体存在差异，如光纤的折射率和有机玻璃的杨氏模量可能并不是准确的我们使用的数值，而重力加速度也是在地球不同位置，取值略有不同的，因此这些参数的取值与实际值的差异也会导致我们实验数据和理论数据之间产生偏差，而且，这些是不可避免的。  
5、实验仪器的影响  
包括光源的功率稳定性以及光信号探测器的精度。在我们的实验中，我们采  
用光谱仪作为探测装置。光谱仪自身具有除法功能，我们将光源的光谱保存其中，  
将扫描得到的传感器输出光谱与光源光谱相除，就可以消除光源光谱对输出光谱  
的影响，从而得到与光源无关的单纯的Mach．Zehnder滤波器的输出光谱。但是这一光谱并没有完全的消除光源功率稳定性对其的影响。因为，与传感器输出光谱作差的是我们保存的光源光谱，而在后续的实验中，我们不能够刷新光源光谱，  
因此，光源功率的波动还是会影响Mach．Zehnder滤波器的输出光谱。所以我们在实验中要尽量选择功率稳定的光源，但是光功率的波动一定还是或多或少存在的，因此对测量结果的准确度也存在一定的影响。为了提高测量的准确度，我们采用多次测量求平均的方法。  
6、震动的影响  
由于我们整个系统要进行静态标定，因此，需要消除除了应力以外，其他外  
界因素的变化对传感的影响。但是，Mach-Zehnder滤波器自身就是一个灵敏度非常高的器件，也因此用它来进行传感，因而微小的震动都会使其输出光谱发生漂移，因此我们采用光谱仪对其输出波形的波长间隔进行测量，而并不是单纯的测量波长的变化。为了减小震动的影响，我们将悬臂梁放置在仿真平台上，但是，  
即使这样仍不能保证Mach-Zehnder滤波器处于无震动的环境下，因为悬臂梁是悬空的，而Math．Zehnder滤波器的传感臂粘贴在悬臂梁上，即使周围空气微小的流动、楼道内的走动都会对Mach-Zehnder滤波器的输出波形产生影响。我们采用的方法就是测量多个峰(谷)间距，并且多次测量求平均。本文转载自http://www.biyezuopin.vip/onews.asp?id=14893也正是因为震动的存在，使得输出波形漂移，因此限制我们不能够使用扫描F-P来进行测量，至使多通道传感时的测量精度比较低。  
7、光纤直径变化的影响  
我们在理论计算的时候，忽略了光纤直径变化对相位变化的影响，因为相对  
于纵向应变以及光弹效应的影响要小两三个数量级。而在实际的实验当中，由于  
粘贴时产生的残余应力，可能导致光纤直径的变化会更大一些，从而使理论和实  
验产生偏差。  
8、温度的影响  
光纤自身也是温度敏感元件，因此温度对于实验结果的影响也是非常重要的。我们在第三章的理论分析中分析了温度对于M-Z滤波器光程差的影响，通过分析我们了解到，当滤波器单臂粘贴在悬臂梁上时，温度对于滤波器输出波形影响较大，而当双臂同时粘贴在悬臂梁上下表面时，温度对滤波器光程差的影响非常小，可以忽略不计。而在实验过程中，为了减小温度变化对实验结果的影响，尽量将室内温度保持在20℃左右，室温变化在±1℃。然而，室内温度在小范围内的起伏变化还是不能避免的。

![在这里插入图片描述][f073a2484de34bd88f10405ba79b1822.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][cdb1a04e2d1c448d906545bf008274f2.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][e8d94616c05844179f00378c482a4e74.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][f85aa16b9ffc43719b6a8fd45c1e3bab.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][f3d857ef77c44bf9b45f7038f75b4b4a.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][efe9fd21884048fb9ca35542043df9d3.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][48cc93b401e04c88822143f6fd7138f8.png_pic_center]

[f073a2484de34bd88f10405ba79b1822.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/f6526711eca440d7ad85429ed3933536.png
[cdb1a04e2d1c448d906545bf008274f2.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/18c02ec85c744cfd97d968c2b497252c.png
[e8d94616c05844179f00378c482a4e74.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/1c248683404e48e6befc1bef1058225d.png
[f85aa16b9ffc43719b6a8fd45c1e3bab.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/133f205cb4f74f288fe2831012457740.png
[f3d857ef77c44bf9b45f7038f75b4b4a.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/a9659bd71ce14c72b6a4a30a6d97b45f.png
[efe9fd21884048fb9ca35542043df9d3.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/3e4428011ab34c70a3ba59e5bf27d292.png
[48cc93b401e04c88822143f6fd7138f8.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/689328f55b8e47f8ad355578598e2249.png