基于FLRD和全光纤M-Z干涉的磁场与温度传感系统研究

摘要

磁场与温度的传感在电力系统放电监测、复合材料成型加工、医疗生化安全监控等领域有着广泛的应用。功能多样化和结构集成化的传感器是实现磁场与温度测量的有效途径。和传统电信号解调的传感系统相比，光纤传感器以其更高灵敏度、更强稳定性以及结构上更加轻巧紧凑的优势，在近些年得到了迅速发展。论文将磁场测量与温度测量和光纤传感相结合，分别设计并制作了基于时分复用原理光纤环形衰荡结构的磁场与温度传感系统和基于马赫-曾德干涉的全光纤磁场与温度传感系统。具体工作内容包括:
　　从磁凝胶的光学特性入手，对磁凝胶实现光纤传感的作用原理进行了系统分析。设计了磁凝胶的制备工艺，实现了利用化学共沉淀法制备磁凝胶基质Fe3O4纳米颗粒并利用该纳米颗粒制备了适用于磁场传感的磁凝胶。
　　对微纳光纤的基本特性及传感原理进行了分析。完成了基于化学腐蚀法和火焰拉锥法实现微纳光纤制备的工艺。将制备好的微纳光纤和磁凝胶结合，制备了磁场传感系统的传感头。
　　设计并搭建了基于时分复用原理光纤环形衰荡结构的传感系统，在室温下，磁感应强度为25mT～70mT时，磁场传感系统的测量灵敏度为12.70ns/mT。在磁感应强度为25mT，温度为20.3℃～79.7℃时，温度传感系统的测量灵敏度为3.53ns/℃。该传感器兼顾较高的测量灵敏度和稳定性。
　　设计并搭建了基于马赫-曾德干涉的全光纤磁场与温度传感系统，在室温下，磁感应强度为25mT～50mT时，磁场传感系统的测量灵敏度为0.30nm/mT。在磁感应强度为0，温度为25℃～30℃时，温度传感系统的测量灵敏度为0.52nm/℃。该传感器具有较高的测量灵敏度。
　　论文基于对传感系统的理论分析及公式推导，通过实验进行验证，提供了两种高灵敏度、高稳定性的光纤磁场与温度解决传感方案，可为相关工程应用提供参考和借鉴。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 光纤磁场传感器概述

1．2．1 磁性敏感材料的研究和发展

1．2．2 光纤磁场传感器的分类及介绍

1．2．3 光纤磁场传感器的发展史及研究现状

1．3 光纤温度传感器概述

1．3．1 光纤温度传感器的分类及介绍

1．3．2 光纤温度传感器的研究历史及发展现状

1．4 论文的研究内容和创新点

1．4．1 论文研究内容

1．4．2 论文创新点

第2章 磁凝胶、微纳光纤、FLRD、M-Z干涉的光纤磁场与温度传感原理

2．1 磁凝胶实现光纤传感的理论分析

2．1．1 磁凝胶概述

2．1．2 磁凝胶常用制备方法简介

2．2 微纳光纤实现光纤传感的理论分析

2．2．1 微纳光纤传感器概述

2．2．2 微纳光纤常用加工制备方法简介

2．3 FLRD传感器

2．3．1 环形腔衰荡传感的理论分析

2．3．2 基于FLRD结构的时分复用原理

2．4 M-Z干涉的全光纤传感器

2．4．1 M-Z干涉的光纤传感理论分析

2．4．2 In-line结构M-Z干涉传感的理论分析

2．5 本章小结

第3章 磁凝胶制备、FLRD光路搭建及实验结果分析

3．1 磁凝胶制备

3．1．1 Fe3O4纳米颗粒的制备

3．1．2 凝胶体系的制备

3．2 基于时分复用原理的FLRD磁场与温度传感器

3．2．1 传感光路设计及实验装置介绍

3．2．2 传感头设计及制作

3．2．3 传感光路搭建

3．2．4 传感光路测试

3．3 实验结果及分析

3．4 实验结论

3．5 本草小结

第4章 M-Z干涉的全光纤光路搭建及实验结果分析

4．1 基于M-Z干涉的全光纤磁场与温度传感器

4．1．1 传感光路设计及实验装置介绍

4．1．2 传感头设计及制作

4．1．3 传感光路搭建

4．1．4 传感光路测试

4．2 实验结果及分析

4．3 实验结论

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢