【摘 要】
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本文在研究光纤光栅FP腔(Fabry-Perot cavity, FP)传感特性的基础上,利用它的传感特性将其用于温度测量,即利用光纤光栅FP腔受外界温度影响的变化关系,将光纤光栅FP腔作为传
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本文在研究光纤光栅FP腔(Fabry-Perot cavity, FP)传感特性的基础上,利用它的传感特性将其用于温度测量,即利用光纤光栅FP腔受外界温度影响的变化关系,将光纤光栅FP腔作为传感元件,并采用一种新颖的自相关解调方法达到温度测量的目的。相对于其他FP腔,光纤光栅FP腔具有许多优点:制作简单、复用潜力大,并保留了普通FP腔分辨率高和光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器可绝对测量的特点,扩大了测量范围。围绕着将光纤光栅FP腔用于温度测量的研究,本文的主要内容如下:(1)鉴于光纤光栅FP腔温度传感技术是光纤光栅和光纤FP腔的延伸和组合,分别介绍了它们各自的温度传感发展历程,并分析了它们在检测物理参数时所存在的主要问题,最后,列举了光纤光栅FP腔传感的主要解调方法。(2)从光纤中的麦克斯韦方程组出发,推导了描述模式耦合的耦合方程,并用耦合模理论对FBG的传输特性进行了分析,讨论了光栅长度和折射率调制对反光谱的影响。在此基础上,通过光束传播法和传输矩阵法分别推导了光纤光栅FP腔反射率和透射率的严格表达式。数值模拟分析了光纤光栅FP腔的光谱特性,并研究了光栅长度和FP腔长对反射光谱的影响。(3)分析了光纤光栅FP腔对温度的传感特性,在此基础上,介绍了一种适用于光纤光栅FP腔的自相关解调法。该方法使光纤光栅FP腔同时具有了测量分辨率高和可绝对测量的优点。同时还分析了光纤光栅FP腔的频分复用技术,并通过数值模拟说明了频分复用的过程,同时推广了自相关解调法的应用范围。为提高光纤光栅FP腔的复用数目,最后提出了一种波分复用与频分复用相结合的复用系统。(4)设计整个实验系统,分别对实验所需的仪器和设备的参数进行了说明,并完成了温度的单点检测,给出了相应的实验结果,利用温度传感实验验证了解调方法的可行性。本文为光纤光栅FP腔温度传感器的研究提供了理论和一定的实际应用依据,同时,得益于光纤通信的发展,光纤光栅FP腔的制作工艺越来越成熟,目前已可以实现大规模生产并进行现场检测。
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