基于光纤光栅与花生型光纤级联结构的传感器特性及其应用研究

摘要

光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、小巧、耐腐蚀等优点，因而在传感领域具有广泛的应用。本文提出了基于光纤光栅与花生型光纤级联结构和基于倾斜光纤光栅与花生型光纤级联结构的两种光纤传感器，对其弯曲传感特性和温度传感特性进行了详细研究。主要研究内容为：
　　1、提出了一种基于光纤光栅与花生型光纤级联结构的全光纤传感器。利用耦合模理论对该传感器的弯曲传感特性进行了理论分析，花生型结构的引入可以有效增强光纤光栅中纤芯模与包层模间的耦合。基于光束传播法，选用仿真软件Rsoft对花生型光纤结构的光传输特性进行了模拟分析。结果表明，花生型结构能够有效激发出包层模式，随着花生型结构双球直径的增加，基模功率逐渐降低。
　　2、通过优化控制光纤熔接机程序参数，制作了花生型光纤结构。将其与光纤光栅级联熔接，构成一种基于光纤光栅与花生型光纤级联结构的传感器。搭建了基于该传感器的全光纤传感装置，并对其弯曲、温度传感特性进行了详细的研究。实验结果表明，随着光纤弯曲曲率增加，探测器接收到的包层模功率逐渐减小，而纤芯模功率则几乎不变。当光纤弯曲曲率由0增加2.2m-1，探测器接收到的包层模功率减小4.64dB。随着环境温度的增加，系统测量的反射光谱红移。当环境温度从20℃逐渐升高到80℃时，反射光谱峰值波长向长波方向移动了0.6nm。而包层模、纤芯模功率未发生明显的改变。
　　3、提出并制作了一种基于倾斜光纤光栅与花生型光纤级联结构的光纤传感器，搭建了基于该传感器的全光纤传感装置，并对其弯曲传感特性进行了研究。研究发现，倾斜光纤光栅的采用大大增加了传感器的反射包层模功率量级。与基于FBG与花生型光纤级联结构的传感器相比，反射功率包层模功率增加了38dB。而且包层模功率随弯曲曲率的增加，逐渐减小。当曲率由0m-1增加1.77m-1时，包层模功率改变了2dB。

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1 绪论

1.1 光纤传感概述

1.2 光纤传感基本原理和分类

1.3 光纤弯曲传感器综述

1.4 论文的主要研究内容

2 布拉格光纤光栅与花生型光纤级联结构的传感基本理论

2.1 引言

2.2 光纤模式的定义

2.3 模式耦合理论

2.4 布拉格光纤光栅中的耦合模理论分析

2.5 布拉格光纤光栅与花生型光纤级联结构传感理论分析

2.6 花生型光纤结构基模传输特性仿真分析

2.7 本章小结

3 布拉格光纤光栅与花生型光纤级联结构的弯曲传感研究

3.1 引言

3.2 传感探头的制作

3.3 弯曲传感实验研究

3.4 温度传感实验研究

3.5 本章小结

4 倾斜布拉格光纤光栅与花生型光纤级联结构的弯曲传感研究

4.1 引言

4.2 弯曲传感实验研究

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

参考文献

作者简历