双芯MZ型光纤传感器在路基沉降监测中的应用研究

摘要

路基是道路建设的基础，自上个世纪20年代开始，我国诸如天津、上海等地，就开始出现了路基沉降导致的各种灾害，1970年开始河北地区的平原地带以及长江三角洲地带的多处城市也陆续产生了路基沉降导致的地面下沉现象，路基沉降已经成为了道路建设中最常见的病害之一。随着经济的不断发展，社会节奏不断加快，动车、高铁等先进快速的交通方式发展迅速，同时道路负荷越来越重，因此不仅要提高交通运输的效率，更要注重交通运输的安全性。为了能够实时连续地监控道路安全状况，许多学者已经做出了努力。在本文中将要研究一种新型的基于双芯光纤的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder，MZ)光纤传感器，将这种传感器应用到路基沉降监控中，具有客观的研究价值。
　　文中首先根据双芯光纤的双波导结构，建立双波导模型，并分析其波导模型的耦合理论，在此基础上，引入双芯光纤耦合模式分析，得出在理想耦合情况下，两个纤芯具有相等的互耦合系数;在非理想耦合情况下，δ2/K12K21可以准确的反映纤芯耦合的强弱，δ2为相位失配量的平方，K12K21为互耦合系数的乘积。
　　其次，根据双芯光纤耦合理论，分析双芯MZ型光纤传感器的传输理论，得出结论:两根纤芯之间的传输相位差为π的偶数倍时，传感器中的传输功率达到最大;当两根纤芯之间的传输相位差为π的奇数倍时，传感器中的传输功率为最小。
　　再次，本文中重点研究了一种级联型的双芯MZ光纤传感器并用于弯曲测量，在双芯光纤的中间熔融拉锥，传感器输出端连接OSA(Optical Spectrum Analysis，光谱分析仪)来观察并记录不同弯曲状况下的透射谱，实验中选择1500 nm-1700 nm的宽带光源作为传感器的光源，双芯传感器的总长度为235 mm，其中双芯光纤的长度为230 mm。通过实验分析可得该装置在测量弯曲的情况下随着弯曲曲率的增加波长向着短波长方向漂移，可测得的最大自由光谱范围为16.44 nm，弯曲曲率范围为0～1.874m-1，传感器调节范围为2.5 nm，最大弯曲灵敏度为-8.8253 nm/m-1。在可测量的弯曲曲率范围内，波长1674.12nm处灵敏度为-8.3645nm/m-1，最小灵敏度为-6.5433 nm/m-1，最大灵敏度为-10.1589nm/m-1;波长1691.12nm处灵敏度为-8.8253 nm/m-1，最小灵敏度为-6.6601nm/m-1，最大灵敏度为-10.1187nm/m-1
　　最后，在基于对双芯MZ光纤传感器弯曲特性实验分析的基础上，将该传感器应用到路基沉降监测模型中，并分析其可行性，该模型可以根据测量传感器在路基沉降中引起弯曲的下沉量来获得弯曲曲率，并通过数据分析，得到路基沉降的弯曲状况。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 选题背景与意义

1．1．1 路基沉降的认识

1．1．2 光纤传感器的认识

1．2 国内外研究现状

1．2．1 路基沉降监测技术

1．2．2 MZ光纤传感技术

1．3 论文的研究意义

1．4 本文的主要研究内容

2 双芯光纤耦合理论模型研究

2．1 双芯光纤结构及分类

2．2 耦合波导基本结构与分析方法

2．3 双芯光纤耦合模方程

2．3．1 耦合模方程的标准形式

2．3．2 耦合模方程的解

2．4 双芯光纤耦合特性分析

2．4．1 双芯光纤理想耦合模式

2．4．2 双芯光纤非理想耦合模式

2．5 本章小结

3 双芯MZ型光纤传感器及其特性研究

3．1 双芯MZ型光纤传感器传输理论分析

3．2 单芯光纤与双芯光纤的熔接

3．3 主要特性参数

3．3．1 插入损耗

3．3．2 消光比

3．3．3 自由光谱范围

3．4 级联双芯MZ型光纤传感器

3．5 双芯光纤弯曲的理论分析

3．6 弹光效应

3．7 本章小结

4 双芯MZ型光纤传感器弯曲传感实验分析

4．1 双芯MZ型光纤传感器弯曲实验系统设计

4．1．1 双芯MZ光纤传感器制作

4．1．2 弯曲实验系统设计

4．2 双芯MZ型光纤传感器弯曲实验结果分析

4．2．1 传感器曲率求解

4．2．2 弯曲特性实验结果分析

4．3 本章小结

5 双芯MZ型光纤传感器在路基沉降监测中的应用

5．1 监测路基沉降的模型

5．2 本章小结

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望与下一步工作

参考文献

作者简历

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