光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究

摘要

光纤传感技术是随着光纤及光通信技术进步而发展起来的一种综合光电子、计算机、软件等多学科知识的先进传感测控技术，是传感领域的主流发展方向。物质的折射率作为一个十分重要的基本物理参量，反映了物质内部的多种信息。光纤折射率传感器作为一种重要的光纤传感器，不仅可直接用于物质折射率的监测，而且在医学诊断、环境保护、食品生产、公共安全与反恐国防等多个重要领域均有广泛的应用。近年来，基于折射率传感的光纤生化探测技术一直是国际上的研究热点。
　　 本论文突破了原有基于折射率探测的液体浓度测量方法，在准分布式光纤折射率传感系统的基础上，利用折射率探头与温度探头的组合探测，探索并研究了低成本的准分布式光纤溶液浓度及温度的双参数同时测量系统的可行性，解决了基于折射率探测的液体浓度测量方法普遍存在的温度交叉敏感问题；针对现有菲涅尔光纤折射率传感器灵敏度较低的问题，引入Fabry-Perot（珐珀，F-P）干涉调制方法，提高了折射率测量的灵敏度。具体说来，本文的主要工作以及创新点包括：
　　 1.在溶液浓度测量上，引入了双参量矩阵运算的方法，实现了溶液浓度和温度的双参数同时测量，解决了以往基于折射率探测的液体浓度测量方法普遍存在的温度交叉敏感问题。
　　 2.依据双参量矩阵运算法的基本原理，研究了基于菲涅尔反射原理的准分布式光纤溶液浓度和温度的双参数同时测量系统。其工作原理是在利用介质薄膜滤波器与阵列波导光栅的串联实现了基于波分复用的分布式传感。将部分光纤折射率探头的结构改造为光纤温度探头，利用折射率探头与温度探头的组合探测，实现液体浓度和温度的双参数同时测量。通过实验证明，实验结果与理论十分吻合，该系统在测量NaCl溶液的浓度及温度时，浓度分辨率达0.0064％，温度分辨率达0.054℃，最大测量误差为0.07％及0.35℃。
　　 3.在菲涅尔光纤折射率传感器的基础上，提出了F-P干涉调制型光纤折射率传感系统，利用光纤端面镀膜构成F-P腔对菲涅尔反射信号进行干涉调制，通过测量干涉条纹的对比度实现溶液折射率的高精度测量。实验数据表明，当外界折射率nx在1.314到1.365范围内，传感器测量折射率的平均分辨率高达5×10-6，最大测量误差为5×10-5。该传感器可直接用于溶液浓度测量，通过另外的解调方式可用作温度传感器，有广泛的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1．1 光纤传感技术概述

1．1．1 光纤传感系统的原理及组成

1．1．2 光纤传感器的分类

1．1．3 光纤传感器的优点

1．2 光纤折射率传感器的研究现状及应用

1．3 本课题的研究意义

1．4 本论文研究内容及创新点

第二章 基于菲涅尔反射的光纤折射率传感系统

2．1 菲涅尔反射公式

2．2 双通道菲涅尔光纤折射率传感器

2．2．1 传感系统装置及工作原理

2．2．2 折射率测量的理论推导和基本原理

2．3 准分布式菲涅尔光纤折射率传感器

2．3．1 传感系统装置及工作原理

2．3．2 折射率测量的理论推导和基本原理

2．3．3 相邻通道串扰的模拟计算

2．4 菲涅尔光纤折射率传感器的应用

2．4．1 溶液浓度测量的原理

2．4．2 温度测量的原理

2．5 本章小结

第三章 折射率测量中溶液浓度和温度交叉敏感研究

3．1 折射率测量中溶液浓度和温度交叉敏感形成机理分析

3．2 交叉敏感问题解决方案

3．2．1 双参数同时测量原理

3．3 准分布式光纤溶液浓度和温度的双参数同时测量系统

3．3．1 实验装置及工作原理

3．3．2 理论推导

3．3．3 实验数据及分析

3．3．4 传感器分辨率的计算

3．3．5 传感器的最大误差

3．4 本章小结

第四章 F—P干涉强度调制型光纤折射率传感系统的研究

4．1 F—P干涉原理

4．2 F—P干涉强度调制型光纤折射率传感系统

4．2．1 实验装置及工作原理

4．2．2 理论推导

4．2．3 实验数据及分析

4．2．4 传感器温度响应特性的研究

4．2．5 传感器的稳定性测量

4．4 本章小结

第五章 结论和展望

参考文献

致谢

硕士学位期间发表的论文