智能金属结构单模光纤宏弯温度传感原理及特性研究

光纤智能金属结构是金属结构智能化的重要研究领域。但目前光纤传感器存在传感性能高温退化（如FBG）和表面高温损伤等问题，使其在金属结构中的应用受到限制。本项目研究石英单模光纤金属化保护后，利用光纤宏弯损耗原理进行温度传感以获得金属构件的高温测量。主要研究内容有：建立宏弯损耗温度传感的金属化保护模型，包括材料选择和结构设计；探索光纤高吸收率金属保护层工艺方法，包括化学镀、电镀等的综合应用；研究金属化石英单模光纤宏弯损耗理论模型；探索热膨胀、热光效应及热应力因素下传感器的温度传感机制；分析光纤结构、金属化保护层结构、光源、光纤弯曲半径对温度传感特性的影响；实现高精度、耐高温的光纤温度传感测量。本项目将开拓新的金属化光纤高温传感方法，为拓展光纤传感器埋入金属结构的方法和宿主金属的选择范围提供基础，它对国防、航空等领域的关键金属构件的实时安全监测具有重要的意义。

光纤光栅传感器（FBG）存在高温退化和损伤等问题, 使其在智能金属结构中的应用受到限制。本项目围绕实现耐高温、精度高的适合埋入金属材料中的光纤传感器这一目标展开研究，探索性地应用光纤宏弯损耗原理进行温度传感以获得智能金属构件的高温测量。同时，对光纤宏弯损耗的应力传感特性做了相应研究。课题研究过程中拓展了原申请书内容，对相应的光纤光栅传感方面内容进行了研究。研究内容包括：不同类型光纤宏弯损耗性能随弯曲半径的变化情况；涂覆层对光纤宏弯损耗特性及传感性能的影响；金属化应力对FBG的光学特性及传感特性的影响；光纤Ni-ZrO2复合镀工艺及其对FBG温度特性的影响；应用金属镀层保护FBG实现双参数同时测量。研究结果表明：（1）相比于SMF28光纤，1060XP光纤对宏弯损耗更加敏感；（2）涂覆层会使得光纤宏弯损耗性能发生振荡，将光纤涂覆层烤黑能抑制部分回音壁效应，但要实现光纤宏弯损耗的线性传感，需去除涂覆层，增加有效的吸收层；（3）采用随恒温水浴箱自然冷却的方法减小温度突变，降低金属化过程对光纤产生的应力,有效地改善了带金属镀层FBG传感器的工作性能；（4）化学复合镀Ni-ZrO2后的FBG温度特性仍保持良好线性、温度传感的重复性良好, 相比于裸FBG，温度灵敏系数平均下降了10.78%。. 相关研究成果申请发明专利2项（已公开），并在《Optical Enginerring》、《Optics Communications》、《光学 精密工程》、《光电子•激光》等权威专业杂志上发表相应的学术论文；培养毕业博士生1名、硕士生2名。项目进行期间，项目组研究人员与电子科技大学饶云江教授进行了光纤传感领域的学术交流。