基于细芯光纤的干涉传感器研究及应用

摘要

随着我国经济社会的不断发展，科技的进步，研究者对工业、环境领域具有重要影响的传感器领域展开了大量研究。光纤传感器因为其小巧的体积、优异的抗腐蚀性能、良好的稳定性等优点，吸引了越来越多研究者的目光。光纤传感器对众多传统参量，如温度、应变、弯曲以及折射率等都具有较好的传感特性，在工程领域有着良好的应用。本文针对当前这一研究的热点，利用细芯光纤制作了光纤干涉传感器，介绍了几种基于光纤干涉原理的新型结构光纤干涉传感器，实验并讨论了其对于不同物理参量表现出的传感特性。 1.提出了一种基于细芯光纤(Thin-core fiber ， TCF)的马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer, MZI)并进行了多参数测量传感研究。采用两段单模光纤进行腰椎放大连接细芯光纤，构成 MZI 结构，利用干涉光波长的漂移来对外界环境参量进行测量。使用的细芯光纤的掺杂含锗浓度较高，故具有较大的相对折射率差。在确保良好的自由光谱范围条件下，传感器尺寸大幅缩小。实验对温度、折射率、应变以及弯曲四个物理量进行了研究，探讨了它们的传感特性。 2.提出了一种在纤芯掺锗细芯光纤上刻写布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)的微型结构M-Z双参数测量传感器。使用的细芯光纤纤芯的GeO2含量高达98%，优异的光敏特性,使FBG的刻写十分容易，可以得到栅区长度极短而反射率较高的 FBG，从而大大减小了传感器的尺寸，未来在光纤光栅传感器的封装和使用上带来便利。我们对该传感器在温度、折射率、应变和弯曲等物理量上进行了双参数同时测量。 3.提出了一种锥形光纤传感器并结合pH敏感膜来进行测量的光纤pH传感器。利用光纤拉锥技术将高掺锗的细芯光纤进行拉锥处理，形成锥形结构的M-Z干涉仪。使用聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA) 和聚丙烯酸(Poly Acrylic Acid, PAA)的混合溶液，通过层层自组装技术,将其镀在锥形结构上形成膜结构。利用PVA/PAA 的膜结构在不同大小 pH 值的溶液中，其产生的膨胀效应会改变传感器周围的折射率大小，从而引起干涉波长或强度的改变。通过解调传感器的干涉波长或强度的变化，完成对pH值大小以及其传感特性的研究与测量。