基于长周期光纤光栅构建光纤传感测量的研究
发布时间：2020-03-21 18:53
【摘要】：光纤传感技术将光波作为载体,光纤作为媒介,是一种感知和传输外界被测信号的新型传感技术。与传统电学传感器件相比,具有灵敏度高,抗电磁干扰、耐高温、抗腐蚀、灵活性好等优点,因此引起人们广泛的的关注。二十世纪九十年代出现了长周期光纤光栅(long-period fiber grating,LPFG),一种具有周期性折射率调制的无源光纤器件,其超大的周期决定了它与传统的布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)相比具有完全不同的耦合机制。LPFG的周期通常有几十到几百微米,它可以将处于纤芯的基模耦合到同向传输的包层模中去,其中心波长和耦合强度与外界环境的变化息息相关。除了具有传统光纤光栅成本低,制备简单,易集成等特点,还具有插入损耗小,对多个外部参量敏感,无后向反射等优点,所以在通信、传感等领域都有着十分广阔的发展前景。论文主要对光栅光谱特点以及温度、应力、折射率的灵敏度进行理论模拟,对光栅的单参量和多参量的传感测量进行了研究,具体内容如下:(1)结合长周期光纤光栅的耦合模式,模拟分析了光栅参数对于波形的影响,各参量灵敏度与光栅参数的关系,以及不同刻蚀方法对于光栅参量的影响。(2)将LPFG和FBG进行温度对比测量,得到LPFG对于温度的高灵敏度,将LPFG接入萨格纳克和马赫增德尔干涉光路进行温度测量,得到相同灵敏度表明其不受光路的影响可以保持自身传感特性。对LPFG进行了微弯和轴向方向上的应力测量,得到中心波长和耦合深度关于应力的线性关系。对LPFG进行了折射率测量,得到中心波长关于折射率的线性关系。(3)对保偏光纤的温度和应力传感特性进行探究,将长周期光纤光栅与保偏光纤通过萨格纳克环路级联进行了温度和应力的同时测量,避免了测量单一参量时另一参量的串扰。对单模-多模-单模光纤结构的温度和应力传感测量进行探究,将其作为温度补偿器和长周期光纤光栅级联使用,实现温度补偿的折射率测量。(4)利用单模光纤组成光纤法布里-玻罗腔,进行微米量级的应变测量,利用其结构紧凑、测量稳定且只受腔长变化调制的特点,作为LPFG监测温度、折射率时候的应力补偿测量。
【图文】：
纤传感的原理纤是工作在光波波段的介质波导，通常为圆柱状[1]。光纤开始应用于短号和图像的传输，但在传输过程中，由于光纤内的吸收和散射，会造成大的损耗。因此，光纤在早期应用中受到了高损耗的限制，无法实现长质量的信号传输。1966 年，美籍华人高锟在《光频介质纤维表面波导中提出了光纤通信的概念，并指出只要在光纤的拉制中消除金属离子杂光纤对光信号的损耗减小到 20dB/km，进而可实现光纤的远距离传输和信。在 1970 年，美国康宁公司研制出世界上第一根衰减系数为 20dB耗光纤，光纤通信因此得以实现，从而拉开了现代光纤通信的序幕，以石的通信获得了飞速的发展。随着光纤通信的发展，人们慢慢发现光纤作为光传播的媒介，而且光波在光纤中传输时，，光波的特征物理量（如幅、偏振态），会随着光纤外部环境的变化（如温度、压力、磁场、电场等）发生相应的改变[2]。因此，可以将光纤作为敏感的光学元件用来探理量，这就是光纤传感器的基本原理[3-5]，如图 1-1 所示。
基石的通信获得了飞速的发展。随着光纤通信的发展，人们慢慢发现光纤不以作为光传播的媒介，而且光波在光纤中传输时，光波的特征物理量（如波振幅、偏振态），会随着光纤外部环境的变化（如温度、压力、磁场、电场、率等）发生相应的改变[2]。因此，可以将光纤作为敏感的光学元件用来探测物理量，这就是光纤传感器的基本原理[3-5]，如图 1-1 所示。图 1-1 光纤传感器原理Fig.1-1 Schematic diagram of fiber optic sensor principle.光纤传感系统是根据传输光波在光纤中的特征参量随外界物理或化学量的来检测相应被测参量变化的一种传感器，结构如图 1-2 所示，光波作为被测号的载体，光纤作为光波传播的媒质。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TP212
【图文】：
纤传感的原理纤是工作在光波波段的介质波导，通常为圆柱状[1]。光纤开始应用于短号和图像的传输，但在传输过程中，由于光纤内的吸收和散射，会造成大的损耗。因此，光纤在早期应用中受到了高损耗的限制，无法实现长质量的信号传输。1966 年，美籍华人高锟在《光频介质纤维表面波导中提出了光纤通信的概念，并指出只要在光纤的拉制中消除金属离子杂光纤对光信号的损耗减小到 20dB/km，进而可实现光纤的远距离传输和信。在 1970 年，美国康宁公司研制出世界上第一根衰减系数为 20dB耗光纤，光纤通信因此得以实现，从而拉开了现代光纤通信的序幕，以石的通信获得了飞速的发展。随着光纤通信的发展，人们慢慢发现光纤作为光传播的媒介，而且光波在光纤中传输时，，光波的特征物理量（如幅、偏振态），会随着光纤外部环境的变化（如温度、压力、磁场、电场等）发生相应的改变[2]。因此，可以将光纤作为敏感的光学元件用来探理量，这就是光纤传感器的基本原理[3-5]，如图 1-1 所示。
基石的通信获得了飞速的发展。随着光纤通信的发展，人们慢慢发现光纤不以作为光传播的媒介，而且光波在光纤中传输时，光波的特征物理量（如波振幅、偏振态），会随着光纤外部环境的变化（如温度、压力、磁场、电场、率等）发生相应的改变[2]。因此，可以将光纤作为敏感的光学元件用来探测物理量，这就是光纤传感器的基本原理[3-5]，如图 1-1 所示。图 1-1 光纤传感器原理Fig.1-1 Schematic diagram of fiber optic sensor principle.光纤传感系统是根据传输光波在光纤中的特征参量随外界物理或化学量的来检测相应被测参量变化的一种传感器，结构如图 1-2 所示，光波作为被测号的载体，光纤作为光波传播的媒质。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TP212
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1 刘雯s
本文编号：2593780
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