集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪的理论与实验研究

摘要

光纤传感器因其高精度、抗电磁干扰、耐恶劣环境、体积小等优点在结构健康监测等诸多领域得到快速发展和应用。全光纤、集成化、多参量测量等是光纤传感器技术发展的主要方向。文中对光纤传感器集成化与多参量测量的研究现状展开叙述，以典型的集成式光纤传感器结构和多参量测量光纤传感器结构为例，分析各自的优缺点。
　　光纤Michelson干涉仪和光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）干涉仪是两种分辨率高、动态响应范围大、应用广泛的干涉型光纤传感器件。基于双芯光纤的集成式Michelson干涉仪对弯曲变化反应灵敏，非本征型光纤 F-P干涉仪则可用于轴向应变的传感测量。本文提出的集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪，将上述两种光纤干涉仪的结构集成到一根光纤内，使复合型光纤干涉仪可以进行弯曲和轴向应变的同时测量。
　　研究光纤Michelson干涉仪和光纤F-P干涉仪的工作原理，结合双光束干涉理论，推导集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪的干涉公式。文中介绍两种光纤干涉仪的一般结构和基本原理。通过对参与复合干涉的光束采取双光束干涉组合的方法，推导和研究复合型光纤干涉仪的干涉公式，从复合干涉中选取分别对弯曲和轴向应变敏感的分量。
　　提出并制作集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪结构。制作基于双芯光纤的集成式Michelson干涉仪，并通过在光纤Michelson干涉仪后依次熔接毛细管光纤和单模光纤，构成非本征型F-P腔结构，实现两种光纤干涉仪结构的复合。对复合干涉光谱进行仿真，分析光谱的空间频率成分。采用FFT变换得到复合干涉的空间频谱，依据双光束干涉中空间频率和光程差的关系，从空间频谱中辨别出所选两敏感分量的空间频率峰，对复合干涉的其他分量进行滤波等处理，得到两分量的干涉条纹信息。
　　实验验证集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪双参量同时测量的传感特性。进行了复合型光纤干涉仪的弯曲传感特性测量实验、应变传感特性测量实验和温度传感特性测量实验。在对实验数据进行分析处理的过程中，从复合干涉光谱里提取出所选两敏感分量的干涉条纹，分析、对比两干涉条纹的漂移变化规律。实验数据处理结果显示所选的两分量对弯曲和轴向应变不交叉敏感，验证了复合型光纤干涉仪对弯曲和轴向应变双参量同时测量的传感特性。

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第1章 绪论

1.1 光纤传感器的发展

1.2 集成式光纤干涉仪

1.3 多参量测量光纤传感器

1.4 本文研究的主要内容

第2章 集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪的基本原理

2.1 光纤Michelson干涉仪的基本原理

2.2 光纤F-P干涉仪的分类与基本原理

2.3 集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪的原理

2.4 本章小结

第3章 光纤Michelson-FP复合型干涉仪的制作与仿真

3.1 基于双芯光纤的Michelson干涉仪的制作

3.2 非本征型光纤F-P干涉仪的设计制作

3.3 集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪的光谱仿真

3.4 光纤Michelson-FP复合型干涉仪的传感系统搭建与光谱分析

3.5 本章小结

第4章 光纤Michelson-FP复合型干涉仪的传感特性实验

4.1 弯曲传感特性测量

4.2 应变传感特性测量

4.3 温度传感特性测量

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢