基于保偏光纤的内嵌式Mach-Zehnder干涉型液位传感器的研究

发布时间：2019-09-11 15:07

【摘要】：随着工业过程自动化程度的不断提高,液位信息采集在各领域中日渐重要,光纤液位传感器更是因其具有诸多优异性能而尤其受各行业青睐。本文重点对基于保偏光纤的内嵌式ZMehnder-ach液位传感器进行了相关研究以及实验,以期获得更高传感性能,本论文的工作总结主要归纳如下:1、概述了液位传感技术的发展背景及光纤液位传感器研究现状。简述已报道液位测量技术方法的分类和优缺点及光纤液位传感器的发展进程。2、阐述并分析了光纤偏振特性及其模间干涉的基本原理。首先阐述了光纤模式理论,然后简述了偏振光和单模光纤双折射特性及保偏光纤,最后对ZMehnder-ach光纤干涉仪的模间干涉理论进行了概述。3、提出了一种基于错位熔接的内嵌式保偏光纤ZMehnder-ach液位传感器。利用单模光纤-保偏光纤-单模光纤组成三明治型结构,对错位偏移量的大小及纤芯错位方向(快轴、慢轴及快慢轴45°方向对准)进行了实验分析,制作了一种沿其快轴错位对准方式的干涉仪。通过干涉仪分束端的错位结构激发产生的包层模作为探测信号接收液位信息的变化,最后通过实验数据拟合后得到的其波长漂移和光强变化对应灵敏度分别为-0.4956 mmnm/和0.2204 mmd B/,温度分析得出其灵敏系数约是13 pm/℃。4、提出了一种基于级联蝶形锥型结构的内嵌式保偏光纤ZMehnder-ach液位传感器。阐述了锥型结构的理论及其制作方法,采用实验室熔接机自带的拉锥功能,通过调节适当的熔接模式参数在两段保偏光纤交界端面和保偏光纤-单模光纤交界端面分别制作了两个蝶形锥型结构作为干涉仪的分束结构与合束结构,该蝶形锥结构一定程度上增加了包层模的激励产生效率,由分束结构激发产生的包层模式以倏逝场的形式进入包层传输一段距离后在合束结构处再次被耦合回光纤纤芯内与纤芯导模发生干涉。数据结果计算得到的波长漂移及强度变化对应的灵敏度是-/501.0mmnm和/275.0mmd B,传感器的温度灵敏系数约是12 pm/℃。
【图文】：

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5]。图1.1 光纤传感过程示意图作为一项崭新的传感技术，各领域的不断关注和研究使得光纤传感短期内已逐渐成为现代传感技术的发展方向之一。C harles K.Gao博士1966年在《光频介质纤维表面波导》中突破性的发现通过玻璃纤维来传播光信息的基本理论。在新的理论的引领下，经过制备工艺的改进和减少原材料中的杂质，美国康宁玻璃公司于1970年率先研制成功了传输波长为632.8nm 、损耗为20 dB/ km的光纤，这也开启了光纤时代的大门。此后，损耗的逐渐减小使得其在通信和传感中的应用逐渐成为现实。光纤传感作为一项新的传感技术则始于20世纪七十年代末各国军事产业的一些重大科技成果，光纤传感技术也经历了这样的时期，，光纤问世不久后就首先被应用于军事产业。八十年代，随着光纤传感器由军事领域向民用生产生活领域的转移，也得益于光通信行业各项技术的日臻完善，光纤器件制作所需的相关材料成本大幅降低，光纤传感器已经开始在世界范围内掀起一股研究的热潮。1.2 光纤传感

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中国计量学院硕士学位论文6图1.3 泄露式模型示意图(3) 尖端反射型尖端反射型的关键元件是如图1.4所示的满足光的全内反射条件的光纤探头，可以根据光纤反射光强的大小确定液位（光纤探头是否浸入到液体中），该方法的不足之处是只能实现定点式的液位测量，若要实现连续的液位传感只能通过设置大量的光纤探头或者利用电机控制光纤探头随着液面升降[15]。图1.4 尖端反射式模型示意图(4) 液面反射型液面反射型包括采用多普勒原理的相位型和强度型液位测量传感器两种类型，如图1.5所示，光纤探头发射的光束经过液面的反射后再次被接受光纤接受，通过比较入射光与反射光之间的相位差或者光强变化即可得到光纤端面与液面之间的距离，进而得到液位信息[16]。受限于液面反射率较低，该类方法相关研究应用并未引起广泛注意。
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN253;TP212

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