基于偏芯熔接实现双参量同时测量的干涉型光纤传感器研究

摘要

随着科技的发展，传感技术在各领域中扮演的角色越来越重要。尤其光纤传感器因具有灵敏度高、测量对象广泛等优势，成为了近年来的研究热点。在光纤等光学器件不断发展和优化的前提下，小型化、低成本、高精度成为了光纤传感器发展的趋势。光纤传感器经过长期以来的不断优化，加之抗腐蚀、稳定性高、不易受电磁干扰等特点，越来越广泛的应用在科研和民用领域中。
　　本文提出了一种偏芯熔接的方法，对传统光纤传感器进行了改进。该方法主要依靠将光纤偏芯熔接，激发包层模，利用这一点来形成两种不同类型的干涉峰并使其叠加，依靠这两种干涉峰对待测参量的不同敏感度来实现双参量同时测量。本文的工作主要包括以下几部分内容:
　　1)介绍了光纤的分类和发展历史，介绍了光纤传感器的原理、分类。详细阐述了光纤传感器的研究现状，列举了几种经典的光纤传感器，并对光纤传感器的优点和面临的问题进行了初步的总结。
　　2)详细的介绍了几种经典的干涉型光纤传感器的工作原理，并对近年来较为流行的几种干涉型光纤传感器的工作原理进行了阐述。同时介绍了较为常见的实现模间干涉的两种方法，对交叉敏感现象的成因和解决办法进行了深入的研究。
　　3)详细的阐述了多模光纤偏芯熔接的理论基础，对该结构传感器的传感原理进行了深入的研究。并利用偏芯熔接的方式，基于多模光纤模间干涉理论，设计出一种温度和折射率同时测量的光纤传感器。该传感器将一段多模光纤入射端与一同规格的多模光纤偏芯熔接，出射端与一多模光纤对芯熔接制成传感头，形成多模光纤纤芯模之间的干涉和纤芯模与包层模干涉产生的两种干涉谷，依靠着两种干涉谷对温度和折射率不同的敏感特性，实现了双参量同时测量。该传感器对温度的灵敏度最高为0.105nm/℃，对折射率敏感度为32.2nm/RIU。
　　4)详细的阐述了单模光纤偏芯熔接的理论基础，对该结构传感器的传感原理进行了深入研究。并利用偏芯熔接的方式设计出一种温度和液位同时测量的光纤传感器。该传感器用一段单模光纤入射端与另一段单模光纤偏芯熔接，出射端与多模光纤熔接构成传感头。形成单模光纤纤芯模与包层模干涉、多模光纤纤芯模之间的干涉所产生的两种干涉谷。依靠这两种干涉谷对温度和液位不同的敏感度，实现了双参量测量。该传感器对温度灵敏度最高为0.0815nm/℃，当液体为纯水(n=1.33)时，对液位的敏感度为0.14nm/mm，当液体为盐水(n=1.38)时，对液位的敏感度为0.29nm/mm。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 干涉型光纤传感器的原理和分类

1．2．1 光纤的分类

1．2．2 光纤传感器的基本原理

1．2．3 几种传统干涉型光纤传感器介绍

1．2．4 干涉型光纤传感器的研究现状

1．2．5 干涉型光纤传感器的主要特点

1．2．6 干涉型光纤传感器面临的主要问题

1．3 本课题的主要研究内容

1．4 本论文的主要创新点

第二章 干涉型光纤传感器的基本理论

2．1 几种典型的干涉型光纤传感器的基本原理

2．1．1 Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪的基本原理

2．1．2 光纤法布里-玻罗(F-P)干涉仪

2．1．3 迈克尔逊光纤干涉仪

2．1．4 Sagnac光纤干涉仪

2．2 几种新型的光纤干涉传感器理

2．2．1 单模-多模-单模(SMS)型干涉传感器

2．2．2 多模-单模-多模(MSM)型干涉传感器

2．2．3 利用特种光纤制成的光纤传感器

2．3 两种常见的实现模间干涉的方法

2．3．1 腐蚀和激光照射

2．3．2 偏芯熔接

2．4 消除交叉敏感的方法

2．5 本章总结

第三章 基于多模光纤偏芯熔接实现温度和折射率同时测量的光纤传感器

3．1 理论分析

3．1．1 干涉原理

3．1．2 理论模型

3．2 利用多模光纤偏芯熔接实现温度和折射率的同时测量

3．2．1 实验装置及其传感原理

3．2．2 实验结论

3．3 本章小结

第四章 基于单模光纤偏芯熔接实现温度液位双参量同时测量的传感器

4．1 理论分析

4．1．1 干涉原理

4．1．2 理论模型

4．2 利用偏芯熔接的SMS传感器对液位和温度同时测量

4．2．1 实验装置及其传感原理

4．2．2 实验结论

4．3 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