基于小角度倾斜光纤光栅和磁流体的磁场传感特性研究

发布时间：2020-07-27 20:57

【摘要】：磁场传感发展至今,传统的磁场传感器易受电磁干扰等影响,而基于光纤的光学磁场传感器利用光信号传输,具有体积小、重量轻、结构简单,且不受电磁干扰影响的特点,在磁场探测领域展现出了一定的应用前景。随着光纤制作技术的发展,倾斜光纤光栅以其独特的光学传感特性,获得了学术人员的广泛研究。本文的主要创新点及研究内容如下:(1)研究了倾斜光纤光栅的结构和纤芯模在不同倾斜角范围内的相位匹配条件,得出不同模式的谐振波长。同时根据光纤包层与外界环境折射面的条件,计算出纤芯模在不同耦合方式下的临界角。并且仿真了倾斜角θ,折射率调制深度?neff,光栅长度L以及光栅周期P这四个参数对倾斜光纤光栅的光谱特性的影响。(2)根据倾斜光纤光栅的光谱特性选择合适的参数,通过分析倾斜光纤光栅的透射谱特性来研究倾斜光纤光栅的折射率传感特性。首先解决折射率传感过程中应变、温度因素对倾斜光纤光栅透射谱的影响,在应变测量范围0με~2000με,温度测量范围-50℃~150℃的前提下,利用双参数法同时测量应变和温度,确定双参数二维方程中的4个系数,解决应变和温度的交叉敏感。其次考虑应变和温度的灵敏度、纤芯模和包层模的耦合效率、带宽检测等因素,选择倾斜角为4°的倾斜光纤光栅研究折射率传感特性。分析了当透射谱波长检测精度在0.01nm时,环境折射率变化在1~1.4的范围下,各个模式下谐振波长与外界环境折射率的关系,通过检测谐振波长来确定外界环境折射率。最后考虑到倾斜光纤光栅的倾斜角在实际制造过程中可能会发生微小偏移,因此研究了微小角度(0.1°)变化对倾斜光纤光栅传感特性的影响。(3)根据磁流体的折射率可调谐特性,利用郎之万函数方程,仿真外界磁场与磁流体折射率的关系。在以上的基础上,将小角度倾斜光纤光栅对外界环境折射率的敏感特性与磁流体的折射率可调谐特性结合,设计了一种基于小角度倾斜光纤光栅和磁流体的光学磁场传感器,将磁流体作为小角度倾斜光纤光栅的外界环境介质,通过检测倾斜光纤光栅的包层模的谐振波长实现了磁场的检测。
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TP212
【图文】：

结构图,倾斜光纤光栅,结构图,布拉格光纤光栅

上海师范大学硕士学位论文第 2 章倾斜光纤光栅的理论基础第 2 章倾斜光纤光栅的理论基础2.1 倾斜光纤光栅的结构倾斜光纤光栅和布拉格光纤光栅本质上是相同类型的光纤光栅，普通布拉格光纤光栅和倾斜光纤光栅的差别就在于光纤轴向和光栅垂直面间的夹角θ是否为0°，如果θ=0°，这就是布拉格光纤光栅，不然则是倾斜光纤光栅[59]。图 2-1 是倾斜光纤光栅的结构图，其中沿光纤的方向被设定为 x 轴，垂直于光栅的方向被设定为 x'轴，θ是 x 轴和 x'轴之间的夹角，Λg是光栅沿着 x'轴方向的周期，Λ是光栅沿着 x 轴方向的周期，即有效周期，它们的关系如公式(2-1)所示[59]：cos g (2-1)

示意图,倾斜光纤光栅,示意图

其中沿光纤的方向被设定为 x 轴，垂直于光栅的，θ是 x 轴和 x'轴之间的夹角，Λg是光栅沿着 x'轴方向的周期方向的周期，即有效周期，它们的关系如公式(2-1)所示[59]：cos g 图 2-1 倾斜光纤光栅的结构图光在倾斜光纤光栅里的传输方式[60]如图 2-2 所示。因为光纤轴存在倾斜角，前向传输的纤芯模会耦合成后向传输的纤芯模、定的角度范围内会耦合成辐射模。

示意图,倾斜光纤光栅,临界角,示意图

传感特性等[69-71]，45°倾斜光纤光栅经常被应用为激光器倾斜光纤光栅对温度敏感性低，常被用来与有机物结合研究倾斜光纤光栅的耦合模式和透射谱性质。光纤光栅倾斜角θ在不同临界角θa、θb范围时有着不同的前向传输的纤芯模耦合成后向传输的纤芯模和包层模，θb时，光纤中的双折射效应较强，对光谱影响较大，所θa时的小角度倾斜光纤光栅的透射光谱特性进行模拟仿角θ、折射率调制深度 neff、光栅长度 L 以及光栅周期谱变化的影响。度倾斜光纤光栅的模式耦合斜光纤光栅来说，因为其光纤轴向与光栅垂直方向有夹入射光进入倾斜光纤光栅之后，会具有不同的耦合方斜光纤光栅的透射谱图都不同，并且比较复杂，不同的耦合方式。

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