基于偏芯结构的M-Z干涉型光纤传感器

摘要

光纤传感器作为一种新型传感器,经过了近几十年的发展,已经广泛应用于对环境温度、应变、气体浓度、振动、液体折射率等多物理量的实时监测。相比其他材料的传感器,光纤具有低损耗、体积小、重量轻、制作成本低、抗电磁干扰等优点,特别适应于恶劣的工作环境下。所以在地震传感中,光纤传感器得到了广泛的关注和深入研究。在对基于纤芯偏移的多模干涉的研究中,本论文设计并制作了一种基于偏芯结构且具有高消光比的M-Z干涉型光纤传感器。
　　本论文的主要研究内容在于:
　　(1)分析了基于偏芯结构的光纤传感器的多模干涉原理,同时利用亥姆霍兹方程求解出包层模式的色散方程。并且利用图解法求解了部分包层模式的有效折射率以及外界温度、折射率、应变对模式有效折射率的影响。
　　(2)利用Rsoft模拟了传感光纤在不同距离上的光场分布和两个熔接点纤芯偏移方向不同以及偏移量不同时透射光谱的消光比。提出改进方案,改进的传感器不受偏移方向的影响,而且消光比较高。当偏移量为4μm时,通过Rsoft模拟得到光谱最大消光比提高了4倍。
　　(3)利用熔接机制作了两种纤芯偏移结构的传感器,并实验测试了其透射光谱特性。在实验中分别制作了偏移量为1.7μm两种结构的传感器,消光比提高了3倍。同时;实验测试两种传感器对温度、环境折射率和应变的响应,两端偏芯的传感器灵敏度依次为:50pm/°C、-38.692nm/RIU和-1.3pm/με,改进的传感器灵敏度依次为73pm/°C、-64.889nm/RIU和-1.9pm/με。测试结果表明,改进方案的灵敏度比先前有了较大提高。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 内联的M-Z型光纤传感器概述

1.3 本论文的主要研究内容

2 基于偏芯结构M-Z光纤传感器理论分析

2.1 传感原理

2.2 三层阶跃折射率光纤模式理论基础

2.3 热光效应与轴向应变对光纤参数的影响

2.4 外界环境对模式的有效折射率的影响

2.5 基于偏芯结构的M-Z光纤传感器对外界的响应

3 基于偏芯结构的M-Z光纤传感器消光比分析和方案设计

3.1 消光比

3.2 不同偏移方向对透射光谱消光比的影响

3.3 偏芯结构光纤传感器的改进方案

3.4 本章小结

4 基于偏芯结构的M-Z型光纤传感器的实验测试和分析

4.1 偏芯结构的制作

4.2 基于偏芯结构的M-Z光纤传感器的消光比对比分析

4.3 基于偏芯结构的M-Z光纤传感器的实验测试和分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献