高灵敏度光纤传感器和多点光纤激光超声换能器的研究

发布时间：2020-06-15 21:03

【摘要】：光纤器件具有比普通的电学器件更多的性能优势,使得光纤器件愈来愈受到广泛的重视。在环境健康的参数检测中,光纤传感器可以有效的探测到环境中的参数变化。光纤Fabry-Perot腔传感器是通过双光束干涉实现传感应用的,当环境中的待测量发生变化时,传感器的腔长或折射率会发生变化,这种变化会使得干涉光谱发生移动,通过解调这种变化就可以监测环境参数。光纤Fabry-Perot腔传感器不仅结构简单、易于封装及价格低廉,而且其具有较高的灵敏度以及灵活的制备方式,使得其受到广泛的关注。本文就光纤传感器的灵敏度放大提出两种新颖的基于Vernier效应的实现传感器灵敏度放大的方案。针对级联腔Vernier传感器制备复杂性以及放大倍率固定不变的问题,本文提出了一种双光路分立式的Vernier效应传感器系统。这种方案主要通过耦合器的两个光路分别输入光纤传感器的光谱和匹配腔的光谱,使得光纤传感器与匹配腔的制备分隔开来。这种方案的Vernier效应使得传感器的制备成功率大幅提高,而且其放大倍率可以更换。光纤Vernier效应传感器的关键就在于放大倍率的提高,这对于传感器的制备提出了很高的要求。本文提出了一种单腔实现的Vernier效应传感器,这种传感器只需要一种辅助的匹配装置以及光谱仪中的计算模块就可以简单的实现。通过记录光纤传感器的光谱,并通过辅助匹配装置进行匹配,当调整至合适的放大光谱,此时就可以记录下匹配腔的干涉光谱,从而通过光谱仪的减法功能实现相减型的Vernier放大效应的光谱。光纤激光超声换能器作为有源主动超声监测中的激发源,在建筑桥梁的结构健康监测中具有重要的地位。目前,对于光纤激光超声换能器的研究都是针对单点超声换能器结构以及所使用的光声材料,而对于多点均衡的超声换能器的研究却严重不足。多点均衡的超声换能器的研究在于合理的光纤耦合机制将光纤纤芯中的光能量耦合出来,这样多点的超声换能器系统更具有工程应用价值。本文通过使用光束传输法对光纤腰椎结构、花生锥结构以及单模-无芯-单模结构的光场传输进行了分析。通过软件仿真,这三种光纤微加工结构均能有效的将光能量耦合到光纤包层之中,并且这些微结构的耦合比与光纤微加工结构的结构参数有关。通过实验制备相应的光纤超声换能器,并分别对这些超声换能器进行实验激发研究,结果表明,这些超声换能器均能实现较为均衡的多点超声激发。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB552;TP212
【图文】：

超声换能器,单点

压电陶瓷很难小型化以产生超声信号。此外，是通过导线连接到电源，这可能会受到电磁干扰的影全光纤激光超声换能器可以克服这些问题，因此由于不受电磁干扰等优点而易于应用于结构健康测试和生冲激光激发的超声信号具有较高的中心频率。换能器国内外发展情况声转换材料的光纤激光超声换能器已经被提出和研究环氧树脂的混合物[58,59]、碳纳米管和聚二甲基硅氧烷（聚硅氧烷酰亚胺[62]。然而，大多数已开发的光声换能激励[63,64]，典型的单点式的超声换能器如图 1-3 所示。结构健康方面的应用，这需要多点或分布式超声激励声激励的研究很少，并且在这方面的研究有限。目前主可控的方法，将光纤芯中的光能耦合到光纤侧壁外的

示意图,透射函数,Fabry-Perot干涉,反射面

2 4 2''(1 ' ' ...)1 'i it i iittA Att r e r e Arr e = + + + = 想的 Fabry-Perot 腔，其透射函数就可以表示为：* 2* 222( ')1 ( ') ' '( ')1 ( ') 2 ' 2 '(1 cos( ))t t tFPi ii i iI A A ttTI A A rr rr e rr ettrr rr rr = = =+ =+ + 反射面，则 r = r'，又由于损耗界面2 2r + t= 1，因此透射函数2 22 2 2 2 2(1 ) 1=(1 ) 4 sin ( / 2) 1 sin ( / 2)FPrTr r F = + +的条纹精细度2 2F = 4 R / (1 R ), ( R = r)。因此，Fabry-Perot 腔为[28]：22sin ( / 2)1 sin ( / 2)FPFRF =+

【相似文献】