基于SMS结构的腐蚀型光纤传感器的实验研究

摘要

基于多模干涉原理的干涉型光纤传感器作为传感领域中的一个重要分支，以其无可比拟的优势得到迅猛发展。此类传感器不仅具有成本低、插入损耗小、耐腐蚀、灵敏度高等诸多优点，而且其结构简单、易加工，为光纤传感领域注入了新的生机和活力。
　　单模—多模—单模(SMS)结构作为一种新型的多模干涉型光纤传感器，得到了专家学者们广泛和深入的研究。本文围绕SMS结构的传感理论和应用，对SMS结构进行了改进和拓展，设计出两种基于SMS结构的腐蚀型光纤传感器，并进行了数值模拟和实验研究。主要内容包括:
　　1)介绍了光纤传感器的发展概况、基本原理和分类，并对光纤传感器的应用及存在问题进行了分析。详细地介绍和分析了多模干涉型传感器的发展和研究进展，最后给出SMS结构型光纤传感器的研究进展。
　　2)介绍了SMS结构型光纤传感器的理论。先是对多模光纤的倏逝波理论进行了介绍;接着详细分析了阶跃型多模光纤的基本理论，主要包括对阶跃型多模光纤的场分布、模式和腐蚀原理的分析;然后介绍了基于SMS结构的多模干涉原理;最后对SMS结构和腐蚀型SMS结构进行了数值模拟。
　　3)根据多模干涉原理和传统SMS结构的传感特性，提出了一种腐蚀型单模-多模-单模折射率传感器。利用传感干涉谱中具有相同的温度敏感特性和不同的折射率敏感特性的两个波谷，可有效排除在折射率测量中温度带来的影响。实验测得两个波谷的折射率灵敏度分别为183.03nm/RIU和80.969nm/RIU。
　　4)提出了一种新颖的腐蚀型多模光纤的干涉型传感器。主要是在传统的由小芯径有包层多模光纤构成的SMS结构中再嵌入一段大芯径无包层多模光纤构成SMMS结构型传感器。因两段多模光纤内部均会被激发出多种纤芯模式，进而发生干涉，利用干涉谱中不同波谷对温度和液位的灵敏度差异，可实现对温度和液位的同时测量。此外，还对水和盐水的液位进行了实验对比，发现传感器对盐水的液位灵敏度较高，测得液位灵敏度最高可达-1.251nm/mm。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光纤传感器的概述

1．2．1 光纤传感器的发展

1．2．2 光纤传感器的基本原理和分类

1．2．3 光纤传感器的应用及存在问题

1．3 多模干涉型传感器的发展概况及研究进展

1．3．1 多模干涉型传感器的发展概况

1．3．2 多模干涉型传感器的研究进展

1．3．3 SMS结构型传感器的研究进展

1．4 本文的主要研究内容

1．5 本文的主要创新点

第二章 SMS结构型光纤传感器的理论

2．1 多模光纤中的倏逝波

2．2 阶跃型多模光纤的基本理论

2．2．1 阶跃型多模光纤中的场分布

2．2．2 阶跃型多模光纤中的模式

2．2．3 阶跃型多模光纤的腐蚀

2．3 基于SMS结构的多模干涉原理

2．4 SMS结构及其腐蚀型结构的数值模拟

2．4．1 SMS结构型光纤传感器的数值模拟

2．4．2 腐蚀型SMS结构的数值模拟

2．5 本章小结

第三章 腐蚀型单模-多模-单模折射率传感器

3．1 腐蚀型单模-多模-单模传感结构的原理分析和数值模拟

3．1．1 传感原理分析

3．1．2 腐蚀型单模-多模-单模传感结构的数值模拟

3．2 腐蚀型单模-多模-单模折射率传感器

3．2．1 实验装置及分析

3．2．2 折射率特性的实验研究

3．2．3 温度特性的实验研究

3．2．4 可消除温度干扰的折射率传感

3．3 实验结果及其分析

3．4 本章小结

第四章 基于腐蚀型多模光纤的干涉型传感器实现温度和液位同时测量

4．1 SMMS传感结构的原理分析及数值模拟

4．1．1 SMMS结构的传感原理

4．1．2 SMMS结构的数值模拟

4．2 基于腐蚀型多模光纤的干涉型传感器实现温度和液位的同时测量

4．2．1 实验装置及分析

4．2．2 温度特性的测量研究

4．2．3 液位特性的测量研究

4．2．4 温度和液位同时测量

4．3 实验结果及分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢