基于热重生光纤光栅的超高温传感研究

作     者：王于鹏 

作者单位：西北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：乔学光

授予年度：2015年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：热重生光纤光栅 超高温应变增敏传感器 温度 应变双参量同时测量 热重生啁啾光纤光栅 

摘      要：光纤布拉格光栅(FBG)自诞生以来广泛应用于光纤通信和光纤传感领域,但耐高温特性一直是制约光栅推向高温应用的瓶颈。热重生光纤光栅是指通过等幅升温和恒温烘烤的处理方法使种子光栅高温擦除后重新生长的光栅,可以工作在1000℃以上的高温中且性质稳定,适用于超高温环境。本文主要对基于热重生光栅的超高温传感器进行了理论分析及实验验证。论文首先研究了在大温度范围中不同光纤直径热重生光纤光栅的轴向应变响应。通过化学腐蚀工艺,可以得到更高再生反射率(从43.7%到69.8%)的热重生光纤光栅,同时在大温度范围内(20-800℃)得到更高的应变灵敏度(从0.9pm/με增大到4.5pm/με)。提出了一种可以实现超高温环境中温度和应变同时测量的光纤传感器,该传感器由刻写在一根普通单模光纤上的位于两个通信窗口(1310nm和1550nm)的热重生光栅级联构成。一套标准的等温退火工艺获得种子光栅的重生。得到在0-1100με应变范围和25-900℃温度范围内,应变和温度的RMS误差分别为28.31με和4.1℃。提出了一种可以实现超高温环境中温度和应变双参量同时测量的光纤传感器。该结构由一对分别刻写在硼/锗共掺光纤和高掺锗光纤的重生光纤光栅级联而成。氢氟酸溶液化学腐蚀方法,减小高掺锗光纤光栅FBG2的直径,得到直径为90μm的FBG2。通过一套标准的热重生工艺,得到热重生光纤布拉格光栅RG1和RG2。该结构在20-800℃温度和0-1000με应变范围内的均方根误差分别只有4.6℃和19.9με,温度和应变的测试结果与通过矩阵模型建立的数据高度相符。实验验证了使用248nm准分子激光器刻写在单模光纤的啁啾光纤布拉格光栅热重生的可行性。通过在温度800℃、80分钟的热退火工艺处理,获得具有高强度、宽带宽、反射谱均匀的重生啁啾光栅(RCG)。实验结果显示,在25℃到1000℃的温度范围内,RCG无论是带宽还是反射强度都有稳定的、可重复性的光谱响应。