基于长周期光纤光栅的液体温度传感器的研究

摘要

光纤光栅是一种最具备发展前景的光无源器件。长周期光纤光栅(LPFG)除具有光纤光栅的传统优点外，还具有后向反射小，插入损耗低，阻带带宽宽，对环境变化非常敏感等优点，所以LPFG在通信领域和传感领域具有广泛的应用。由于存在交叉敏感等原因，LPFG在温度传感方面的研究尚未得到普及和应用，因此该研究具有较高的研究价值和实际意义。
　　本文利用高频CO2激光器在单模光纤上一次成功写制LPFG；在大量实验基础上研究了LPFG液体温度传感特性；在综合考虑增敏与去交叉敏感的基础上设计和实现了LPFG液体温度传感器。
　　本文主要内容包括：
　　首先，在LPFG传输基本原理基础之上，结合LPFG形成机理经典分析和LPFG显微照片，推理残余应力释放、玻璃致密化、掺杂剂热扩散等内部原因导致折射率的周期性调制，熔融变形及物理形变等外部原因导致光波导结构的改变，使得LPFG透射谱在谐振波长处形成损耗峰。搭建了高频CO2激光器在普通单模光纤上写制LPFG的实验系统，仔细分析了写制过程中，激光辐射能量和轴向应力对LPFG写制的影响。
　　其次，设计和搭建了LPFG在空气和液体中温度传感特性测量的实验系统。由实验结果可知，LPFG在液体中的温度特性与在空气中的一致，均随着温度的升降，谐振波长分别线性的向长短波长方向漂移，基本成线性关系，并且损耗峰幅值变化不大。定义了参数P来衡量LPFG温度特性的优劣，分析了轴向应力对LPFG温度特性的影响。
　　最后，基于光纤光栅温度传感解调的基本原理，设计了LPFG液体温度传感解调实验系统，从增敏和去除交叉敏感两个角度出发，设计和实现了LPFG液体温度传感器。通过大量实验可得，该LPFG液体温度传感器的温度误差小于3oC。

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插图和附表清单

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的主要研究内容

第二章 长周期光纤光栅的写制

2.1 LPFG基本理论

2.2 高频CO2写制LPFG的机理分析

2.3 高频CO2激光写制LPFG实验

2.4 本章小结

第三章 长周期光纤光栅的温度传感特性

3.1 LPFG温度传感理论分析

3.2 基于LPFG的液体温度传感特性

3.3 LPFG温度传感准确性分析

3.4 轴向应力对LPFG温度特性的影响

3.5 本章小结

第四章 长周期光纤光栅液体温度传感器的实现

4.1 LPFG传感解调

4.2 LPFG液体温度传感器的实现

4.3 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢