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本文对光纤光栅高温、高压传感技术及交叉敏感问题进行了系统研究,主要包括:光纤布拉格光栅的基本理论;光纤布拉格光栅的传感原理;光纤光栅高温传感技术研究;光纤光栅高压传感技术研究:光纤光栅温度一压力交叉敏感问题研究。
首先,回顾了光纤光栅的产生和发展,分析了光纤光栅传感器发展现状以及难题;研究了光纤布拉格光栅的耦合模理论;在此基础上分析了光纤光栅温度、应变和压力传感原理,并提出了设计光纤光栅高温高压传感器所遵循的原则和思路。
其次,研究了光纤布拉格光栅的高温响应特性,提出了在高温环境中降低光纤布拉格光栅的非线性响应效应的方法。实验结果表明,提高基底材料的热膨胀系数能有效降低光纤布拉格光栅传感器在高温环境中的非线性的影响。
再次,研究了光纤光栅高压传感技术,提出并制作了一种基于单管结构的高压传感器,推导了这种压强传感器的光纤布拉格光栅中心波长与压强的关系,得到了该传感器的压强响应灵敏度的解析表达式。从实验上获得了-0.0377nm/MPa压强响应灵敏度,是裸光纤布拉格光栅压力响应灵敏度的12.7倍。在0~40MPa的测量范围内,传感器的压强响应具有很好的线性和重复性。在此基础上进一步研究了光纤光栅高压增敏技术,提出了一种多金属管结构的光纤光栅压强传感器,在0~45MPa的测量范围内,获得了-0.0592nm/MPa的压强灵敏度。
最后,研究了光纤光栅交叉敏感问题。分析了两种高温高压传感模型的可行性,并对传感器模型进行了优化。设计了一种温度自补偿的高压光纤布拉格传感器。在温度为21~260.8℃,压力为0~44 MPa的范围内测试了传感器的特性,压力响应灵敏度为-0.0548nm/MPa。该传感器性能稳定,重复性好。初步研究了基于双悬梁机构的区分测量技术,分析了双悬梁光纤布拉格光栅应力响应特性,从实验上获得了-0.05nm/N的压力响应灵敏度,且应力响应的线性、重复性和迟滞性较好,为双悬梁区分测量技术提供了条件。