可识别方向的光强调制型光纤扭曲传感器研究

摘要

扭曲是力学测量中关键的物理量之一，在建筑结构扭转屈曲的安全监测、机器人关节转动测量等方面具有广泛应用，且具有方向识别能力的扭曲传感器尤为重要。光纤扭曲传感器相较于传统的电磁式或机械式扭曲传感器具有体积小、成本低、灵敏度高、无电磁干扰等优势，成为近年来的研究热点。目前的光纤扭曲传感器大多数是基于波长调制的，需要使用昂贵的光谱仪，成本较高。与光谱检测相比，光强检测具有响应速度快、成本低等特点，但光强调制型扭曲传感器，除少数光栅类或偏振类器件外，大多数不能识别扭曲方向。基于此，本文提出一种具有扭曲方向识别能力的光强调制型光纤扭曲传感器，主要研究内容如下：　　①提出一种基于非圆对称高阶模式与纤芯基模干涉的光强调制型光纤扭曲传感器，建立模式干涉理论和扭曲传感理论，指出非圆对称微扰是激发非圆对称高阶模式的有效方法，且两微扰间具有初始夹角是实现光强度测量的基本原理，阐明具有π相位差电场分布的非圆对称模式是导致扭曲测量发生干涉相位跃变和光谱翻转从而实现扭曲方向识别的关键。　　②提出一种CO2激光制备的预扭转光纤扭曲传感器，采用CO2激光单侧曝光单模光纤产生非圆对称微扰，从而激发非圆对称包层模，并在在第二处微扰与芯模发生干涉。采用预扭转单模光纤在两处微扰之间产生初始夹角，确保了传感器具有扭曲方向识别能力。当光纤从逆时针方向扭向顺时针方向时，干涉光谱的波峰/波谷将转变为波谷/波峰。利用波峰和波谷之间的反转，实现一种可识别方向的光强调制型扭曲传感器，在-50rad/m到50rad/m范围内的灵敏度为45.3%/(rad/cm)。　　③针对CO2激光制备的扭曲传感器存在两微扰间初始角度和包层模式不可控的问题，提出一种非对称错位熔接的两模光纤模式干涉仪，采用错位熔接方式实现两模光纤中LP01与LP11模式的模式干涉，设计非对称错位的相对方向，确保传感器具有扭曲方向识别能力，优化错位距离、错位方向、熔接放电等参数，制备具有高对比度、低插入损耗的两模光纤干涉仪，重点研究通过非对称错位角度的优化实现扭曲传感器光谱波峰/波谷翻转点的控制，通过增加干涉长度达到提高扭曲传感灵敏度的目的。实验采用具有3cm干涉长度的传感器和强度差分的探测方式在-52.38rad/m到52.38rad/m范围内实现了灵敏度为122%/(rad/cm)的方向可识别的扭曲传感器。

目录

目 录

1 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 光纤扭曲传感器的国内外研究进展

1.2.1 波长调制型光纤扭曲传感器

1.2.2 光强调制型光纤扭曲传感器

1.3 在纤式Mach-Zehnder干涉仪的制备方法概述

1.3.1 CO2激光制备方法

1.3.2 电弧放电制备方法

1.3.3 飞秒激光制备方法

1.4 本文的研究意义及主要内容

2 光强调制型光纤扭曲传感器的理论分析

2.1 光纤结构及模式分析

2.1.1 光纤线偏振模式理论

2.1.2 光纤线偏振模式仿真

2.2 光强度调制型光纤扭曲传感器的原理

2.2.1 在纤模式干涉仪基本理论

2.2.2 光纤扭曲时的干涉理论分析

2.3 光纤扭曲传感器的数值仿真分析

2.3.1 在纤式模式干涉仪仿真

2.3.2 光纤扭曲时的光谱及零点位置仿真

2.4 本章小结

3 基于CO2激光制备的预扭转光纤扭曲传感器

3.1 CO2激光器的加工原理及特点

3.2.1 可在线监测的制备系统

3.2.2 制备光纤扭曲传感器的光谱演变

3.2.3 单模光纤干涉仪模式测量

3.3.1 扭曲测量结果及分析

3.3.2 与未预扭转光纤样品的对比实验

3.4 本章小结

4 基于非对称错位熔接的光纤扭曲传感器

4.1.1 传感器结构

4.1.2 传感器制备方法

4.1.3 传感器关键参数表征

4.2.1 扭曲测试装置

4.2.2 扭曲测试结果及分析

4.2.3 扭曲传感特性的关键参数讨论

4.3 单频激光光源下传感器的光电解调

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考 文 献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 作者在攻读学位期间的获奖情况

D. 学位论文数据集

致谢