基于全光纤马赫-泽德尔干涉仪的温度传感器的研究

摘要

光纤传感是融纤维光学、微电子学、精密机械和计算机等学科于一体的高新技术，这就注定它是一门技术难度大，协作配套广的知识密集型产业。故对其理论的深层次研究和新原理光纤传感器的开发成为当务之急。 光纤传感器可从光纤传感原理、被测对象、信号调制方式等不同的角度分类，光纤传感器按被调制的光波参数的不同分为五种光纤传感器。分别为强度调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器和波长调制型光纤传感器。本文概述了国内外光纤传感器的发展现状，研究设计了一种基于全光纤马赫-泽德尔(Mach—Zehnder)干涉仪的相位调制型光纤传感器。 全光纤的Mach-Zehnder干涉仪是一种重要的干涉器件，因其具有干涉现象、体积小、重量轻、结构紧凑、灵敏度高等特点，可用于光纤通讯和光纤传感领域。 首先文章阐述了相位调制型光纤传感器的基本原理，其次阐述了光纤Mach-Zehnder干涉仪的基本原理，以及光纤Mach—Zehnder干涉仪的研究现状及应用情况。并分别用散射矩阵分析法和干涉分析法对全光纤的Mach—Zehnder干涉仪做了理论分析和计算机编程的数值模拟。针对环境因素对于光纤Mach-Zehnder干涉仪干涉效果的影响做了分析。在此基础上，利用相位调制法设计了基于全光纤Mach—Zehnder干涉仪的温度传感装置，对Mach-Zehnder干涉仪进行了实验研究，实验中通过改变测量臂温度的方法改变Mach—Zehnder干涉仪的臂长差，研究了外加温度与干涉仪光谱的输出关系，采用波长定标的方法，当温度在26℃-80℃的区间变化时，得出了干涉谱线中某一特定波长的移动与外加温度的关系，得到了0.957nm波长调节范围，对应干涉仪相位改变约4π，线性拟合度达到0.972。理论与实验得到较好的吻和。 实验结果表明，该文设计的传感器结构简单、灵敏度高、价格低、易于实际应用，有广泛的应用价值。

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摘要

第一章 前言

1.1光纤传感器应用及研究的意义

1.1.1光纤传感器的应用

1.1.2光纤传感器研究的意义

1.2光纤传感器国内外研究的现状

1.2.1国外的传感器的研究现状

1.2.2国内的传感器的研究现状

1.3光纤传感器的原理与分类

1.3.1光纤传感器的原理

1.3.2光纤传感器的分类

1.4相位调制型光纤传感器

1.5选题意义

第二章 相位调制原理及相位解调技术

2.1光调制原理

2.1.1强度调制机理

2.1.2频率调制机理

2.1.3波长调制机理

2.1.4偏振调制机理

2.1.5相位调制机理

2.2相位调制原理

2.2.1实现光波相位调制的物理效应

2.3相位解调原理

2.3.1光纤干涉仪

第三章 Mach-Zehnder干涉仪的理论分析与应用

3.1散射矩阵分析

3.1.1理论分析

3.1.2数值计算结果

3.2干涉分析法

3.2.1理论分析

3.2.2数值计算结果

3.3Mach-Zehnder干涉仪研究的意义

3.4Mach-Zehnder干涉仪在传感器方面的应用举例

3.4.1磁致伸缩效应光纤电流传感器

3.4.2高压电流传感器

3.4.3Mach-Zehnder光纤干涉仪应用于地下水管泄露的监测

3.4.4Mach-Zehnder光纤干涉仪对应变的测量

第四章 光纤温度传感器系统的设计及实验结果

4.1光纤温度传感器

4.2实验的基本原理

4.3光路设计

4.3.1光源

4.3.2光纤耦合器

4.3.3光谱分析仪

4.4全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度传感的研究

4.4.1温度传感器的数学模型

4.4.2.干涉仪的制作

4.4.3实验系统组成

4.4.4实验结果及讨论

4.5系统误差分析和实验中遇到的问题

4.5.1系统误差分析

4.5.2实验中遇到的问题

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

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