李剑芝, 姜德生[1]2006年在《载氢与掺锗石英光纤的光致折射率改变》文中指出对载氢掺锗石英光纤的紫外光敏特性以及载氢条件对光纤紫外光敏性的影响进行了系统地实验研究．实验结果表明:①载氢光纤的光致折射率改变随紫外曝光时间的变化规律 (△n=3．3×10-4t0.31689)是先呈指数增长到达一定的时间基本达到饱和,如果继续照射,光致折射率改变继续增大,并对紫外光敏机理进行了讨论;②随着载氢压力的增大,光纤的紫外光敏性呈正比例增大,两者之间的关系为△n=1．34×10-5+4．66×10-5P;③掺锗石英光纤的紫外光敏性的大小随着载氢时间的延长,呈指数增长,最后达到饱和．
王昌[2]2005年在《长周期光纤光栅的制作与特性研究》文中研究说明智能材料与结构是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领域。智能材料与结构具有四种主要特性，即敏感特性、传输特性、智能特性和自适应特性，它代表着21世纪先进新材料发展的一个方向。光纤传感器作为智能材料与结构理想的核心部件，正在受到越来越多的关注，而其中光纤光栅传感器是目前研究和应用的热点。 自从1995年A．M．vengsarkar等人在光纤中成功地写入长周期光纤光栅(Long-period Fiber Grating以下简称LPG)以来，LPG作为光纤器件在光纤通信和传感领域得到了越来越广泛的研究和应用。已经证实LPG可以改进掺铒光纤放大器系统，因此可以用作带阻滤波器和增益平坦滤波器，另外它也可以用作温度和压力传感器，还可以用作光纤光栅传感解调器。LPG的独特之处在于其对包层的灵敏性，这是LPG一个独一无二的特性，它的这种包层灵敏性可以用来制作生物化学传感器。 为了能使LPG广泛的应用于光通信和传感领域，本论文研究了LPG的制作、特性和其在光通信和传感领域的应用情况。文章首先采用耦合模理论模拟了长短周期光纤光栅的光谱形状基础，然后进行光纤的载氢增敏实验，采用普通单模光纤，经过载氢增敏，利用振幅掩模法和逐点法制作出LPG，并对其的传感特性进行了研究。 以叁层阶跃折射率波导结构和耦合模理论为基础，考虑到氢分子引起的折射率变化，针对氢载LPG提出了一个简单的模型，对LPG的退火进行了分析和模拟，所得到的结果与实验符合得很好。 采用LPG实现了RTM工艺中的流动前沿监测。实验研究了LPG在各种工艺条件下的光谱信号响应情况，结果表明LPG能可靠地探测中-低纤维体积含量预成型体中的树脂流动前沿，在高纤维体积含量情况中以及探测叁维厚度方向不同深度的树脂流动前沿时的应用受树脂折射率的限制。 采用普通单模光纤设计制作LPG，在此基础上，普通单模光纤LPG的双折射效应进行了研究，获得了很好的横向压力敏感性，证明这种LPG具有极大的用作高灵敏度的光纤横向压力传感器的潜力。 提出了一种新颖双周期光纤光栅传感器，在一段氢载光纤的相同位置上先后写入LPG、短周期布拉格光纤光栅(FBG)，这样就可以利用LPG和FBG对
李剑芝[3]2004年在《掺锗石英光纤紫外光敏性的研究》文中指出光纤光栅突飞猛进的发展以及它在通信和传感领域的巨大影响对光纤光敏性的研究提出了要求，而载氢是光纤增敏的一种有效方法。虽然目前有众多的光纤光敏性的研究，但是没有系统的分析掺锗石英光纤增敏的机理，也没有系统的研究载氢条件对光致折射率变化的影响，也没有进行实验测量光致折射率的改变。因此准确把握载氢条件对光纤光敏性的影响，提高光栅的性能已成为一个亟待解决的问题。 本文从掺锗光纤紫外光敏机理、实验和实验分析讨论、以及获得光致折射率方法进行了详细的阐述，分析了影响掺锗石英光纤紫外光敏性的几个因素，根据对紫外光敏性的因素分析，提出了制作光纤光栅的几点参考；并依据掺锗石英光纤光敏性的研究，制作了多摸光纤光栅并对其传感特性进行了实验研究。 本文的所作的主要工作主要包括： 一、研究了未载氢和载氢掺锗石英光纤的紫外光敏性，比较两种光纤的光敏机制，揭示了光纤光栅的形成过程。结果表明：在未载氢的掺锗石英光纤中，起主要作用的光敏机制是色心模型；在载氢掺锗石英光纤中，起主要作用的光敏机制是结构模型。 二、研究了不同载氢压力下和不同载氢时间下的掺锗石英光纤的紫外光敏性，结果表明：掺锗石英光纤的光敏性随着载氢压力的增大，光纤的光敏性逐渐提高；随着载氢时间的延长，光纤光敏性的变化规律符合载氢模型。所得到的一些结论为优化载氢技术提供了依据。 叁、对不同载氢条件的光纤刻入光纤光栅，探讨载氢条件与光栅性能的关系，研究退火对光纤光栅性能的影响，所得到的结论对制作光栅提供了依据。 四、通过实验数据和理论数据进行了分析和对比，对目前使用较多的获得光致折射率改变的方法给予了评价。 五、对多模光纤光栅的传感特性进行了实验研究与理论分析，结果表明这种光栅叁个反射峰的布喇格波长随温度和轴向应变变化均呈现出良好的线性关系，并且重复性相当好。这些特性与单模光纤光栅的传感特性基本相同。
梁磊[4]2005年在《光纤光栅智能材料与结构理论和应用研究》文中研究说明材料与结构的智能化是21世纪具有挑战性的课题。利用智能材料与结构技术解决重大工程结构在整个生命周期内的健康监测和安全评估问题,是一个世界性的研究热点,具有重大的社会意义和经济价值。“结构健康监测”是智能材料与结构发展与综合的象征,是高新技术开发与集成的标志,也是现代结构实验技术的集中体现。研究开发在长期稳定性上满足工程要求的传感元件、发展新型光纤光栅智能材料结构系统是从根本上实现结构健康监测的核心工作之一。 本论文在国家自然科学基金、国家863计划和湖北省重点攻关项目的支持下,在导师的悉心指导下,从基础理论、基本实验、工程应用上研究了光纤光栅智能材料与结构的理论和应用技术,从材料、构件、结构等方面探讨了用于重大工程结构的光纤光栅传感器的制备技术、光纤光栅传感网络设计技术和系统集成技术。目的是研制出光纤光栅应变、温度和压力等传感器及其所构成的健康监测系统,并实现在重大工程建设中的应用。本论文的相关研究工作历时五年,多项研究成果通过相关的成果鉴定,并已在多个重大工程项目上获得实际应用,成为国家科技进步二等奖的部分内容。 本文主要内容包括:光纤光栅的智能传感机理,稳定、可靠的光纤光栅传感元件和多参量光纤光栅传感器的研制,光纤光栅智能材料与结构系统及其自诊断功能实现方法的研究,以及“结构健康监测”在重大工程中的应用研究等。 一、对智能材料与结构、智能材料与结构中的传感技术、光纤光栅传感技术的研究现状和发展趋势进行了回顾和展望,探讨了光纤光栅智能材料与结构的基本概念和构成方式。 二、从光纤光栅光敏性的研究出发,对光纤光栅的传输理论和基本智能传感特性进行了理论推证,分析了光纤光栅的传感机理。从传感用光纤光栅的要求出发,通过对载氢、光栅结构参数、光刻条件和退火工艺对光纤光栅光谱特性影响理论和实验的研究,总结出有关制备具有长期稳定性光纤光栅传感元件较理想的技术和工艺条件。 叁、基于智能材料与结构的相容性要求,通过对光纤光栅/传感器/待测界面应变传递特性、光纤光栅复合弹性体结构的理论研究和分析,形成基于应变传递效率的光纤光栅应变传感器的基本设计方法。总结了基于热、力耦合作用加速检验光纤光栅传感器长期稳定性的新方法。
陈冀景[5]2018年在《基于石英光纤材料的发展历程以及当今基于石英光纤材料从事研究和进展方向概述》文中研究指明文章是相对于各种新型的光纤通信材料而以最原始的石英材料为主线讨论了石英光纤材料的发展、材料特性的一些研究以及结合作者的实验方向所作综述。全文共分为叁个部分:第一部分是对整个石英光纤材料的发展及其研究历程做了概括,包括了石英光纤材料的发展历程、光学特性;第二部分是基于石英光纤的应用--光纤传感的发展与最新进程;第叁部分是对整个光纤材料发展的展望以及基于WGM和微腔传感的一些作者的亲身体悟。
汤风帆[6]2005年在《长周期光纤光栅的制作与应用研究》文中研究说明光纤光栅传感器是近年来迅速发展起来的一种新型传感器,除具有传统电类传感器的功能外,它还具有分布传感、抗电磁干扰、精度高、长期稳定性好等优点。光纤光栅可分为布喇格、啁啾和长周期光栅叁种,其中长周期光栅由于具有独特的性能,在某些应用领域显示出突出的优越性,受到人们的重视,具有广泛的应用前景。本课题研究长周期光栅的制作和应用,采用振幅掩模法制作长周期光栅,通过选择适当的光纤、适当的光路设计、设计合适的掩模板、恰当的曝光时间和频率、退火的温度和时间等,摸索出一套切实可行的、可批量生产的长周期光纤光栅制作工艺,并在此基础上对长周期光栅的温度和轴向应力特性进行了理论分析;研究长周期光栅的折射率特性和双折射效应,取得了一些成果。本文所做的主要工作包括:1. 分析了长周期光纤光栅的形成机理,研究了光纤的光敏性以及氢载增敏机制;2. 详细介绍了利用振幅掩模板写入长周期光纤光栅的方法;3. 详细阐述了长周期光纤光栅的耦合模理论,从理论上研究了长周期光纤光栅的温度和轴向应力特性;4. 从理论和实验上研究了长周期光栅的折射率特性和双折射效应,阐述了其实际应用价值。
李剑芝, 姜德生[7]2006年在《载氢与光纤布喇格光栅》文中认为系统地研究了载氢条件对掺锗石英光纤的紫外光敏特性以及光纤光栅的影响．结果表明:光纤中氢气含量的大小决定了光纤光栅的折射率调制(即光纤光敏性的大小),也决定了光纤光栅的反射率;随着载氢压力的增大,光纤的光致折射率改变(即紫外光敏性)呈正比例增大,两者之间的关系为△n=1．34×10-5+4．66×10-5P;退火后的光纤光栅的反射率与载氢压力的关系为R3=2．76881+0．83537 P．这一结果有助于控制载氢压力获得发射率可调的光纤光栅,解决光纤光栅写入随机性大的问题;掺锗石英光纤的紫外光敏性的大小随着载氢时间的延长,呈指数增长,最后达到饱和;光纤光栅的反射率与载氢时间也呈现同样的规律,制作光纤光栅的最佳载氢时间为14 d(常温)．
叶昌金[8]2008年在《光纤Bragg光栅特性的研究》文中提出光纤光栅是近年来发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件之一,在光纤通信、光纤传感等领域具有广阔的应用前景。以光纤光栅技术为基础的光纤光栅传感器已经成为传感器研究领域中的一大热点。光纤Bragg光栅(FBG)传感器是目前光纤光栅传感领域重要的研究方向。它具有分布传感、抗电磁干扰、精度高、长期稳定性好等优点。本文对光纤Bragg光栅的相关理论进行了系统的研究,主要内容包括:光纤光栅的耦合模理论,光波在光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅(LPFG)的传输特性,光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅的物理特性和传感原理,应力和温度的交叉敏感等。本论文的研究工作对理解光纤光栅的物理机制及发展新型光纤光栅传感器件具有重要意义。首先,对光纤光栅传感器的研究现状和发展趋势进行了回顾和展望。简单介绍了光纤的光敏性。系统论述了光纤光栅的各种制作方法并比较了各种制作方法的优缺点。按照理想波导模展开法推导了模式耦合方程。利用耦合模理论研究了光波在光纤光栅中的传播规律,并依据耦合模理论研究了光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅的传输响应特性,对光纤光栅的反射谱进行了数值计算,同时分析了光纤光栅的折射率调制深度和光栅长度L与光纤光栅特性之间的关系。其次,在分析光纤Bragg光栅Fabry-Perot(F-P)腔特征的基础上,提出光纤Bragg光栅F-P滤波器的物理模型。利用传输矩阵法对基于光纤Bragg光栅的F-P滤波器的光谱特性进行详细分析和讨论,并研究了光栅长度、折射率调制深度以及F-P腔长对滤波器反射和传输特性的影响。根据光纤Bragg光栅F-P腔的相位谐振条件推导了光纤光栅F-P腔腔长与光纤光栅常数之间的关系。同时,采用多层膜分析方法对复合Bragg光纤光栅进行理论分析和数值计算。通过多层膜分析方法详细研究了复合Bragg光纤光栅的反射特性与光纤光栅的参数之间的关系。并且还对两光栅之间的关联特性进行了分析,为解决交叉敏感问题提供依据。然后,系统研究了光纤Bragg光栅和长周期光栅对温度及应变的传感机理。得出光纤Bragg光栅的应变和温度传感模型。通过对光纤的弹光效应、光纤周期的伸缩、热光效应、热膨胀效应的分析得出了光纤光栅的应变灵敏度和温度灵敏度。进一步对它们在传感测量过程中进行了详细的分析。研究表明,光纤Bragg光栅和长周期光栅的谐振波长随温度和轴向应变线性变化,并且长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与纤芯参数和光栅周期有关,还依赖于包层参数。定量分析表明谐振波长的温度和轴向应变灵敏度及其变化方向与光纤类型、模式耦合的阶次等因素有关。最后,研究了光纤光栅交叉敏感问题。分析了Bragg光栅的应变-温度交叉灵敏度对测量结果的影响。此外,还详细讨论了光纤光栅同时测量温度和应变的各种方案。
涂峰[9]2009年在《光敏光纤与光纤光栅器件研究》文中研究表明光纤Bragg光栅的开拓是继掺铒光纤放大器之后光领域的又一重大技术突破,光纤光栅可以用来制作光纤激光器、色散补偿器、波长转换器、上/下话路复用器、EDFA增益均衡器等,这些器件都是全光网络所必不可少的。光纤光栅的Bragg波长随着温度、压强呈良好的线性变化关系。光纤光栅传感器在桥梁、隧道、建筑物及航空航天技术等方面显示了广阔的应用前景和巨大的市场潜力。本课题从光纤光栅制作的基本材料—光敏光纤开始着手进行光纤光栅及其系列器件的研究。光敏光纤作为刻写光栅的材料,对光栅的性能有着十分重要的影响,在对光敏光纤和光纤的光敏性进行研究的基础上,能够找到刻写优良性能光栅的材料。并针对光纤光栅在实际应用过程中的机械性能和使用寿命这些实际应用需求,对光敏光纤的机械可靠性进行了实验研究,为保证刻写出的光纤光栅的实际使用性能提供了参考。其次对光纤光栅器件的制作和测试工艺进行了研究和开发,为光纤光栅的生产制造和性能测试提供了工艺方法。再次针对啁啾光纤光栅色散补偿器件,对器件的用途、设计、制造和封装等工艺进行了深入的研究:并对这种色散补偿器件的主要性能特别是群时延波动和相位波动、偏振模色散、温度稳定性能等关键参数进行了分析研究和优化设计;在此基础上对光敏光纤进行了改进设计,研制出了适合应用的低偏振模色散包层模抑制型光敏光纤,从而完善啁啾光纤光栅色散补偿器件的光纤生产、光栅刻写、光栅封装、性能测试等全部制造生产关键技术。本论文涉及到材料、光学、通信、传感等方面,主要研究成果如下:(1)阐述了光纤光敏性的机理,将各种增加光纤光敏性能的方法进行了对比,研究了光栅刻写用的特种光敏光纤的设计和研制。开发出高掺锗与锗硼共掺型两种光敏光纤,通过不同掺杂的光纤光敏性能的研究,找到了最佳光敏性能光纤的设计。并采用ITU-T标准测试方法对几种不同掺杂光敏光纤的动态疲劳参数、筛选强度参数、抗拉强度参数等性能进行了分析、测试和研究,得出了优化光敏光纤性能的设计工艺方案;(2)根据光纤光栅型器件在系统中应用的需要,针对两个关键参数:偏振模色散和包层模耦合损耗,进行了优化设计,提出了低偏振模色散包层模下陷型光敏光纤。开发出了适合于光纤光栅型器件生产所需要的新型光敏光纤材料。新型设计开发出来的光敏光纤具有良好的光敏特性,刻写出的光纤光栅具有很高的边模抑制比和较低的偏振模色散值,这些特性说明其刻写材料-新型光敏光纤的良好双折射性能和包层模抑制的能力;(3)对啁啾光纤光栅色散补偿器件的光栅制造、封装、测试等各个方面的技术工艺进行了深入的研究开发。同时对啁啾光纤光栅温度稳定性能的高温封装方法进行了实验与理论分析,通过优化封装设计与工艺,使得封装后的色散补偿器件能够达到较好的温度稳定性;(4)系统地对光纤光栅色散补偿器件的几个重要性能进行了研究,对器件的群时延、群时延波动和相位波动这叁个参数进行了详细的理论分析,并结合实验数据进行研究。根据实际应用中的需求,对光纤光栅色散补偿器件的偏振模色散、偏振相关损耗、插入损耗等参数进行了原理分析,并分析了这些参数对传输系统的影响。通过如上性能的分析和测试,提出了降低啁啾光纤光栅器件时延波动、相位波动,优化其偏振模色散与偏振相关损耗的方法。
孟玲[10]2011年在《铝电解槽热场仿真与槽壳温度在线检测系统研究》文中提出预焙阳极铝电解槽是铝电解厂的主要的生产设备,因此它的各种技术条件的匹配情况是否处于最佳状态,对于提高电解电流效率和产品质量以及保持铝电解槽的良好状况具有十分重要的作用。准确及时地掌握各种技术参数的变化情况,一直是铝电解工艺优化的目标。电解铝槽的槽壳温度是生产运行中的重要参数,通过在线检测槽壳温度,可以实时监测电解槽运行状况,有效地避免漏槽等事故的发生,延长电解槽的使用寿命,同时为电解工艺的分析提供有效的参考数据。传统的办法是通过仪器、仪表等测量工具进行人工检测,这样,不但有人为的测量或分析误差,而且在很大程度上增加了工人的劳动强度,对于提高企业劳动生产率很不利,特别是在测量电解槽散热孔、阴极钢棒以及炉底钢板温度时,因为测量点多、测量时间间隔短,这种现象就表现得更为明显。电解铝的生产处于强磁场、多尘、高温等复杂的环境,普通的电类传感器难以长期可靠使用,针对该技术难题,本课题在深入分析光纤光栅传感原理的基础上,研制了高温光纤光栅温度传感器。光纤光栅传感器具有本征抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、质量轻及易于与被测物结合的特点,采用光纤光栅设计的温度、应变、振动、超声波等传感器已获得了广泛的应用。普通的光纤一般温度测量范围在-40℃-150℃,而铝电解槽壳温度的上限要达到350℃,论文通过稀土共掺光纤增敏制作特种光纤并利用紫外激光照射周期性相位掩模板法写制,解决了光纤光栅在高温区域的折射率调制易擦除的关键技术问题。根据监测需求,利用光学时分复用和波分复用技术构建了多点监测网络,开发了多点温度在线监测系统,实现了铝电解槽壳温度的实时在线监测。论文首先分析了铝电解槽壳温度检测对铝电解工艺及铝电解槽健康状况预测的重要意义,调研了铝电解槽槽壳温度检测的研究现状。然后,采用二维电解槽温度场分布模型,根据铝电解槽的温度分布情况,对电解槽进行网格划分,采用有限差分法进行数值计算,重点研究了电解温度、槽膛内形及不同病槽状况对槽壳温度场的影响。对光纤光栅建立了温度传感数学模型,分析了提高光纤光栅高温传感性能的方法,选用化学气相沉积法制作锑-铒-锗及锑-锗共掺特种光纤,采用紫外光照射周期性相位掩模板的方法写制光纤光栅,并对写滞后的光栅进行了500℃以内的高温退火,实验研究了光纤光栅的高温退火反射率变化特性,温度响应灵敏度,稳定性等性能指标,采用共掺增光敏法设计的高温光纤光栅在高温退火后,都仍具有较高的反射率,而且在高温区光纤光栅波长随温度变化具有良好的响应度,满足了铝电解槽壳温度监测对传感器的要求。然后,分析了电解槽的结构以及生产工艺,并对电解槽的传热原理及影响热平衡的因素进行了研究,确定了对槽壳的温度监测对象为阴极钢棒、侧部钢板、底部钢板。分别根据阴极钢棒、侧部钢板、底部钢板的安装结构需要,测温范围等因素设计了高温光纤光栅传感器。传感器所用光栅均采用在Sb-Ge共掺石英光纤上通过紫外光照射不同周期的掩模板写制而成,并分别对封装后的传感器进行了光栅波长随温度变化趋势,响应时间以及稳定性测试,取得了良好的测试结果。通过对铝电解槽热散失模型分析可知,阴极钢棒散热占8%,侧部钢板占40%,底部钢板占7%,温度变化可以反映电解槽热平衡的状态,可以依赖监测数据对电解槽的工艺状态和健康状况进行判断分析。在Sb-Ge共掺石英光纤上采用紫外激光照射相位掩模板法写制高温光纤光栅,根据阴极钢棒、侧部钢板以及底部钢板的安装位置需求,设计适用于铝电解槽壳温度监测的光纤光栅传感器。光纤光栅传感器的波长解调技术是实现系统准确检测的关键技术,系统比较了多种解调方式的优缺点,对体相位光栅解调原理进行了分析,并阐述了体相位光栅实现多点FBG解调的系统设计。通过分析铝电解槽壳温度监测点的需求,对监测点按照阴极钢棒,侧部钢板,底部钢板进行了系统监测分组设计。最后利用体相位光栅作为解调器件设计了多点温度监测系统,并对软件实现进行了详细分析。最后,将自行研制传感器按照设定的多点传感器监测网络将传感器安装于指定待测点,并说明了在传感器安装过程中应当注意的问题。结合铝电解生产工艺,对系统检测数据进行了比照分析,重点讨论了生产过程中的阳极效应、出铝等时刻的温度变化特性。以阴极钢棒光纤光栅温度传感器为研究对象,参照红外测温枪检测数据,对传感器的准确性进行了实验研究,最后分析了传感器监测数据误差的来源。该系统的研制成功替代了原有采用红外手持式测温枪人工定时巡检的槽壳温度监测方式,为铝电解工艺的研究提供了科学翔实的数据,通过对数据的分析,可以预测电解槽的健康状况,防止事故的发生,保障铝电解的正常生产。另外,对于减轻工人劳动强度,改善工作环境,提高铝电解生产过程中的自动化管理程度也有着重要的意义。
参考文献：
[1]. 载氢与掺锗石英光纤的光致折射率改变[J]. 李剑芝, 姜德生. 无机材料学报. 2006
[2]. 长周期光纤光栅的制作与特性研究[D]. 王昌. 武汉理工大学. 2005
[3]. 掺锗石英光纤紫外光敏性的研究[D]. 李剑芝. 武汉理工大学. 2004
[4]. 光纤光栅智能材料与结构理论和应用研究[D]. 梁磊. 武汉理工大学. 2005
[5]. 基于石英光纤材料的发展历程以及当今基于石英光纤材料从事研究和进展方向概述[J]. 陈冀景. 科技创新与应用. 2018
[6]. 长周期光纤光栅的制作与应用研究[D]. 汤风帆. 武汉理工大学. 2005
[7]. 载氢与光纤布喇格光栅[J]. 李剑芝, 姜德生. 材料研究学报. 2006
[8]. 光纤Bragg光栅特性的研究[D]. 叶昌金. 电子科技大学. 2008
[9]. 光敏光纤与光纤光栅器件研究[D]. 涂峰. 华中科技大学. 2009
[10]. 铝电解槽热场仿真与槽壳温度在线检测系统研究[D]. 孟玲. 山东大学. 2011
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