基于长周期光纤光栅的溶液浓度光纤传感器研究

摘要

溶液浓度是表征介质溶液特征的重要物理参数之一，在工农业生产和科学研究中具有重要的计量意义和监测价值，光纤传感技术以其灵敏度高、体积小、易于远距离传输、能够实现实时传感、适用于恶劣环境等优势在溶液浓度传感领域具有广泛的应用前景，受到了众多的关注。目前溶液浓度光纤传感主要是利用溶液浓度在一定范围内与折射率的线性关系来间接实现溶液浓度测量。由于长周期光纤光栅(Long Period FiberGrating，LPFG)具有对于外界环境比较敏感、灵敏度高、结构简单、性能稳定等特点，本文重点研究了基于LPFG的溶液浓度光纤传感器，主要工作如下:
　　首先，查阅了大量文献，对国内外利用光纤进行溶液浓度传感的方法进行了总结，分析了各种溶液浓度传感器的优缺点，在前人研究基础上，以低成本、实用性为宗旨，提出了两种基于LPFG的测量溶液浓度简单有效的方法。
　　其次，对LPFG进行了理论分析与研究，包括LPFG耦合模式理论、LPFG的制备方法与形成机理等，并利用Matlab程序仿真分析了LPFG的光谱特性以及折射率传感特性，得到了LPFG各个参数对于其透射光谱以及折射率传感特性所造成的影响，为设计LPFG溶液浓度传感器奠定了基础，对于LPFG溶液浓度传感器的最优化设计以及实际应用具有理论指导意义。
　　第三，针对LPFG双峰谐振效应在溶液浓度传感领域的应用，进行了相关的理论与仿真分析，对其周期以及模式等参数的选择进行了详细的讨论，得到了灵敏度远高于普通LPFG传感器的性能最优化设计方案。相比于普通LPFG传感器仅有的45nm/RIU灵敏度，基于双峰谐振效应的传感器灵敏度可以高达1500nm/RIU，大大提高了溶液浓度传感器的灵敏度。
　　最后，实验研究了级联拉锥结构的LPFG传感器特性，并利用腐蚀包层的方法对其进行优化设计，得到了性能明显优于普通LPFG的溶液浓度传感器。经过级联拉锥以后的LPFG传感灵敏度达到了147nm/RIU，进一步经过包层腐蚀处理以后灵敏度则可以达到202 nm/RIU，是普通LPFG传感器灵敏度7倍甚至更高，在实际应用中具有重要意义。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 光纤传感的发展及研究现状

1．2 溶液浓度光纤传感器概述及检测方法

1．2．1 概述

1．2．2 强度调制型溶液浓度光纤传感器

1．2．3 干涉型溶液浓度光纤传感器

1．2．4 光纤光栅溶液浓度传感器

1．2．5 表面等离子体溶液浓度传感器

1．3 本文主要研究内容

2 长周期光纤光栅基本理论

2．1 长周期光纤光栅的制备技术及其形成机理

2．1．1 紫外写入法

2．1．2 二氧化碳(CO2)激光逐点写入法

2．1．3 飞秒激光写入法

2．1．4 长周期光纤光栅形成机理

2．2 长周期光纤光栅耦合模式理论

2．3 长周期光纤光栅耦合常数

2．4 有效折射率

2．4．1 纤芯模式有效折射率计算

2．3．2 包层模式有效折射率计算

2．4 本章小结

3 长周期光纤光栅折射率传感特性研究

3．1 长周期光纤光栅透射谱特性

3．1．1 光栅长度对光栅透射谱特性的影响

3．1．2 光栅周期对光栅透射谱特性的影响

3．1．3 包层半径对光栅透射谱特性的影响

3．2 长周期光纤光栅折射率敏感特性分析

3．3 本章小结

4 长周期光纤光栅双峰谐振效应及其折射率传感应用

4．1 长周期光纤光栅双峰谐振效应原理

4．2 双峰谐振效应折射率传感特性

4．3 氯化钠溶液浓度传感仿真

4．4 本章小结

5 基于级联拉锥结构长周期光纤光栅溶液浓度传感实验

5．1 实验原理

5．2 实验准备

5．2．1 级联长周期光纤光栅制备

5．2．2 光纤拉锥

5．2．3 光纤包层腐蚀

5．3 实验结果分析溶液浓度光纤传感

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历

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