基于模式干涉和受激布里渊效应的光纤传感器研究

发布时间：2020-07-26 15:41

【摘要】：传感技术是物联网的核心,其发展水平决定着物联网的发展水平,同时也是衡量一个国家信息化程度、科技创新与发展的重要标志。近年来,光纤传感器在生物化学、医疗、环境检测、军事安防等领域发挥着重要作用,可以利用光纤传感器实现对温度、应力、折射率、液位、磁场等参量单一或同时测量。和传统的电传感器相比,光纤传感器具有结构紧凑、耐腐蚀、耐高温,抗电磁干扰及灵敏度高等优点,其在小型化、智能化的传感网络中具有极大的优势。随着光纤制作技术的进步,基于特种光纤的光纤传感器展现出其优良的性能。本论文结合光纤传感器的高灵敏度、微型化、多参量集成等发展需求,在前人工作的基础上,对基于特种光纤的模式干涉结构传感器和基于受激布里渊散射效应的光纤传感器进行了理论和实验研究。主要研究成果如下:1.实验制作了一种少模D型光纤,对其模式特性进行了分析。研究了外界环境折射率和光纤研磨深度对D型光纤模式有效折射率的影响,为高灵敏度光纤传感器的制作提供途径。提出了一种新型基于D型光纤和布拉格光栅的折射率和温度传感器。结合光纤光栅的温度传感特性,可以通过同时监测模式干涉结构的下陷峰波长和光纤光栅布拉格波长的漂移实现折射率和温度的同时测量。实验结果显示,在折射率测量范围为1.333到1.428时,此结构传感器的折射率灵敏度为-31.79nm/RIU。当光谱仪分辨率为O.01nm时,折射率和温度的测量精度分别为1.4×10-3RIU和1.7℃。2.提出了一种无芯光纤-D型光纤-无芯光纤结构的液位传感器。利用D型光纤中高阶包层模式对外界环境参量变化更加敏感的原理,监测传感结构传输光谱下陷峰波长随D型光纤浸没在待测液体中长度的变化,实现液位的高灵敏度测量。在待测液体折射率分别为1.333、1.355和1.377时,对应的液位灵敏度为191.89pm/mm、208.11pm/mm和213.80pm/mm。进一步实验研究了传感结构的温度特性,在液体折射率为1.333的情况下,温度和液位的交叉敏感系数为-0.128mm/℃。此结构的液位传感器具有结构紧凑、制作简单等优点,适用于高灵敏度的液位测量。3.提出了一种基于D型光纤模式干涉结构和磁流体的磁场传感器。利用磁流体折射率随外界磁场强度改变的特性,传感器的传输光谱发生漂移实现磁场强度的测量。同时监测传输光谱中两个下陷峰波长的漂移,实现对磁场和温度进行同时传感。该传感器的磁场和温度灵敏度实验结果分别为99.68pm/Oe和-77.49pm/℃C。对比了此传感器与已报道的同类型传感器,此结构具有高灵敏度、结构紧凑和成本低廉等优点,有潜力应用于磁场和温度同时传感领域。4.提出了一种基于无芯光纤-单模光纤-保偏光纤-单模光纤-无芯光纤结构的扭转传感器。理论分析了无芯光纤长度对传感结构传输光谱的影响,并进行实验验证。扭转传感实验结果表明此传感结构传输光谱的消光比随光纤扭转角度发生改变。在扭转角度为-240°到360°范围内,扭转灵敏度为0.34dB/(rad/m)。进一步通过监测传输光谱下陷峰的波长漂移实现温度测量,实验得到温度灵敏度为41.89pm/℃。5.提出了一种基于受激布里渊散射的M型折射率分布单模光纤用于温度和应力同时测量。通过仿真计算研究了此光纤中的纵向声学模式,将此光纤与普通单模光纤性质进行对比,计算结果表明此光纤的布里渊增益谱中存在多个布里渊增益峰,分别对应不同阶数的声学模式。进一步研究了此光纤布里渊增益谱中的两阶布里渊增益峰对温度和应力的响应特性,温度和应力的测量精度分别为0.47℃和12.3με。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TP212
【图文】：

截面的光纤，如Ｄ型光纤、矩形无芯光纤、椭圆形光纤等；基于微结构的光纤，逡逑如多芯光纤（ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ邋ｆｉｂｅｒ，ＭＣＦ）、细芯光纤、光子晶体光纤（ｐｏｈｏｔｏｎｉｃ邋ｃｒｙｓｔａｌ逡逑ｆｉｂｅｒ，邋ＰＣＦ）。还有保偏光纤、空心光纤、多模光纤等，如图１－２所示。逡逑ｎ邋0邋（？）逡逑图１－２．光纤传感器中光纤结构逡逑Ｆｉｇ．邋１－２．邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｆｉｂｅｒ邋ｉｎ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｆｉｂｅｒ邋ｓｅｎｓｏｒ．逡逑在实际的传感应用中，对传感器的性能指标要求不断提高，如灵敏度、稳定逡逑性、抗交叉敏感的需求等，应当考虑光纤本身的结构特性、光学、力学、热学特逡逑性等选择合适的光纤进行不同传感参量的测量。例如，使用普通单模光纤和熊猫逡逑型保偏光纤作为传感单元对折射率进行测量时，光纤纤芯中信号光的波长、强度逡逑等表征参数不随光纤外部折射率变化而改变，所以无法实现折射率传感。因此需逡逑要懫用特殊的加工方式改变光纤结构，包括腐蚀、拉锥、研磨处理等方式。Ｘｉｎ邋Ｗａｎｇ逡逑等人提出将熊猫型保偏光纤拉制成微纳光纤实现海水盐度的测量［２６］，当光纤的直逡逑径减小时

单模光纤本身能将信号光很好地限制在纤芯内传输，利用单模光纤制作模式干涉逡逑仪，需要对光纤进行特殊处理实现单模光纤中高阶包层模式的激发和耦合，其中逡逑特殊处理方式包括：熔融拉锥、ｕｐ－ｔａｐｅｒ结构，偏芯焊接等方式，如图１－３所示。逡逑６逡逑

等人提出基于一组多个Ｄ型光纤的折射率传感器，传感器结构为在多模光纤上使逡逑用飞秒激光加工出七个ｌ00｜ｉｍ深，２５０ｐｍ宽，１ｍｍ长的槽，构成七段间隔为１ｍｍ逡逑的Ｄ型光纤。如图１－５所示，激光加工后的Ｄ型光纤平面到纤芯的距离为２５Ｍｎ＾逡逑表明光纤纤芯暴露在外界环境中，而且包层和和涂覆层部分保留使传感器有足够逡逑机械强度。实验获得不同浓度液体对应折射率分辨率为１．２７ｘｌ（Ｔ３ＲＩＵ到３．１３ＸＵＴ４逡逑ＲＪＵ［７Ｇ１。２０１１年，Ｌａｎｚａ等人提出一个Ｄ型光纤光栅传感器，研究了传感结构的逡逑磁场传感特性，获得磁场灵敏度为１．４４０３ｐｍ／Ｇ［￣，但是该传感器中需要利用飞秒逡逑激光写入光纤光栅，这就提高了制作成本和系统的复杂度。２０１４年，Ｕｂｅｉｄ等人逡逑提出Ｄ型光纤覆盖石墨烯材料，并且研宄了结构的反射特性，结果表明由于石墨逡逑烯的存在，折射率灵敏度显著提高［７２］。２０１５年，ＡｍｒｉｔＰａｔｎａｉｋ等人提出基于氧化逡逑涂层的石墨烯覆盖Ｄ型光纤传感器，对应折射率变化的波长灵敏度为逡逑１２逡逑

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 施伟华;尤承杰;吴静;;基于表面等离子体共振和定向耦合的D形光子晶体光纤折射率和温度传感器[J];物理学报;2015年22期

2 宋牟平;励志成;裘超;;50km长距离布里渊光时域分析分布式光纤传感器[J];中国激光;2010年06期

3 宋牟平,赵斌,章献民;基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器[J];光学学报;2005年08期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 李超;新型光纤模式干涉仪传感特性及复合参数测量的研究[D];北京交通大学;2017年

本文编号：2770954