基于双芯光纤的双锥角MZI型传感器的研究

发布时间：2020-10-14 22:51

　　 科学技术的迅速发展,经济水平的逐渐提升,以及国民对大型建筑质量问题的关注等,使得光纤传感也逐渐进入人们的视线。近年来,关于光纤传感的相关研究已涉及多个领域,并且也取得了许多的研究成果。光纤传感器与传统的电学传感器相比较有众多的优点,它可以实现大范围且精度高的检测,特别是相位调制型的光纤传感器。针对这一研究热点,从马赫-增德尔干涉型(MZI)的传感结构出发,并借助于双芯光纤折射率分布的特殊性,本文以双芯光纤为载体提出一种构造新奇的双锥角光纤应力传感器。主要的研究工作如下所述:(1)简要介绍了本文研究光纤传感器的大环境和必要性,以及光纤传感器和双芯光纤当前国内外的发展近况;论述了光纤传感器的工作机理,剖析了各种类型应力传感器的优势与不足。(2)根据双芯光纤的结构特征,结合耦合模式理论剖析研究了双波导模型的耦合原理。通过MATLAB仿真软件模拟并论述双芯光纤的耦合特性,对于对称结构的双芯光纤,两纤芯的互耦合系数是一样的。而对于非对称的双芯光纤,其耦合因子的大小代表了两个纤芯耦合的强弱。(3)从光纤结构连接以及光纤间的熔接方法出发,研究并模拟双芯光纤结构参数、偏置位移的变化等对光纤传感器传输能量的分布和光谱特性的影响。对双芯光纤MZI传感原理以及应力传感原理进行分析与研究。(4)基于对拉锥结构和偏置结构的仿真分析,提出了一种基于马赫-增德尔干涉仪的双锥角双芯光纤应力传感器。通过实验分别探究了双锥角与偏置结构级联、与拉锥结构级联的应力传感特性。实验数据显示,该结构的应力传感器不仅制作简单且灵敏度较高。进一步分析实验数据,得到双锥角与偏置结构级联的传感器在波长为1716.5nm处的应力灵敏度为7.6pm/με,在波长为1446.2nm处获得了最大的消光比19.3dB,且此处的应力灵敏度为6.39pm/με。相比于其他的应力传感器,该结构的传感器性能有了很大的改善,其灵敏度约为之前提出结构的两倍左右。而双芯光纤与单模光纤锥接的传感器结构在波长1455.5nm处获得的应力灵敏度为2.66pm/με,在波长为1665.9nm处得到的灵敏度为2.36pm/με。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN253;TP212
【部分图文】：

?北京交通大学硕士学位论文???干涉腔，光束在干涉腔内来回反射后形成了多个光束的相互干扰【１｜］。其原理图见图??１－４。当有外界应力作用时，干涉腔长度的改变会导致干涉图谱产生变化，只要通??过检测干涉图谱便可以获取应力的变化。由于光纤的波导作用，使得光纤法布里－??珀罗干涉仪的腔长可以是几厘米、甚至长至几十米，其精细度也比较高，而且是使??用一根光纤。所以，在光纤传感领域受到的重视也越来越多??

Ｆｉｇ．?１－５?Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｓａｇｎａｃ?ｐｈａｓｅ?ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ?ｓｅｎｓｏｒ??（２）光纤光栅型应力传感器??光纤光栅主要是依靠光纤材料的光敏特性来发挥作用的。光纤光栅型应力传??感器是通过在一定方法的作用下，引起纤芯的折射率发生轴向规律性变化从而形??成衍射光栅［１２】对光信号产生影响，它的调谐波对应力的变化比较敏感。主要应用??于应力传感器的光栅有布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅。??布拉格光纤光栅（Ｆｉｂｅｒ?Ｂｒａｇｇ?Ｇｒａｔｉｎｇ，?ＦＢＧ）的周期是均匀的，且为常数。光纤??纤芯区的折射率按规律变化导致光纤波导条件的变动从而形成布拉格光栅，它可??以将光信号中选定波长的那部分反射回去［１３，１４］。ＦＢＧ传感的原理是：当外界应力??发生变化时，ＦＢＧ的有效折射率会呈周期性变化，从而引起布拉格波长漂移，外??界作用力大小的不同将会导致波长漂移量的变化。致使ＦＢＧ波长产生变化的外界??环境中，最直接的便是应力，无论是对光栅进行拉长或是缩短，都会引起光栅周期??的改变，并且光栅本身也是具有弹光效应的，这种效应对有效折射率产生的影响会??加强布拉格波长的漂移。但是因为该类传感器ＦＢＧ波长的变化也受到温度的干扰，??

，包层传输，另一部分仍在纤芯中传输。由于纤芯模和包层模存在有效折射率的差异，??因而两路信号产生了光程差。再到达第二个锥角时，两路光信号耦合形成干涉。当??有外界应力作用时，两路光信号的相位差也会随之改变，可以通过监测光谱仪变化??完成应力的测量。光纤拉锥结构简图如图１－６所示。??图１－６光纤拉锥结构示意图??Ｆｉｇ．?１－６?Ｆｉｂｅｒ?ｔａｐｅｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ??２）偏芯熔接??偏芯熔接应用于两个光纤的连接上。我们通过光纤熔接机对两段光纤熔接时，??可以错位熔接以此产生光信号的干涉。其形成干涉的原理与光纤拉锥类似。下图１－??７为偏芯熔接的示意图。??
【参考文献】

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本文编号：2841305