长周期光纤光栅在高折射率介质中的传感研究
发布时间：2021-03-31 12:09
长周期光纤光栅是一种周期为几百微米的光纤光栅,由于损耗低、背向散射小、制作简单以及成本低等优点,在光纤传感和光通信领域具有良好的应用前景,是近几十年发展最为迅速的光纤器件之一。目前,长周期光纤光栅更多地应用于诸如水液位和温度传感等低折射率介质传感领域,在高折射率传感领域的应用相对较少。在实际的应用中,像汽油、柴油和化学试剂等易燃易爆品的折射率均高于光纤的折射率。基于此,本文主要是对长周期光纤光栅在高折射率液体中的传感应用展开研究。首先,本文设计并制作了一种基于长周期光纤光栅的反射式传感器。该装置主要由单模长周期光纤光栅（long period fiber grating,LPFG）构成,其光栅后面尾纤的涂覆层全部剥掉并且尾纤端面涂有银膜。结构简单,制作容易。使用的单模光纤更有利于光泄露到外部环境的介质中。其次,将该传感器应用到液位传感实验中。利用长周期光纤光栅（LPFG）形成的导模-泄露模效应,建立了反射式LPFG导模-泄露模的理论模型,利用MATLAB对其进行仿真分析,仿真出反射光谱随液位的变化关系。在实验中,为液位传感器和所测液体选择适当的参数后,在0-20 mm的液位,获得了-0...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
功率型测液位示意图[24]
浙江工业大学硕士学位论文4图1-2单模-多模-布拉格光栅结构Figure1-2.Singlemode-multimode-Bragggratingstructure在工业生产和日常生活中，常见的易燃易爆品和化学试剂的折射率往往大于光纤包层折射率，因此，针对较高RI液体设计简单且廉价的液位传感是非常必要的。目前，应用于较高RI的光纤传感器有SMS结构[26]，如图1-3所示为SMS的结构示意图。该结构是在两个单模光纤（SMF）中间熔接一段去除了包层的多模光纤（multimodefiber,MMF）；当它浸没在具有较高RI的液体（乙醇和苯甲醛混合液体）中时，MMF部分将成为泄露波导，整个结构因此成为导模-泄露引导模式。基于泄露模式，随着液位的增加，功率会进行衰减传播。但SMS结构在测量时需要选择适当的测量波长或者MMF长度来保证它的灵敏度，在实际操作中，切割出微小长度的MMF具有较大难度，不容易精准操作。此外，由于在测量时需要把MMF部分浸入到液体中，导致很难进行封装，不利于实际应用。所以即使它是测量的高折射率液体并且获得了0.57dB/mm液位灵敏度，在实际应用中也很困难。没有办法大规模地投入工业生产和生活中。图1-3SMS结构示意图Figure1-3.SchematicdiagramofSMSstructure1.3温度传感的研究进展和现状温度测量在民用的工程建筑、商用的航空航天、船舶航运输、电力电气工程、生命医学、材料化学等领域[27]越来越重要；传统的测量温度的方式主要是以热电偶、热敏电阻、热释电探测器等工具测得的信号为工作基础，来进行温度的测量。温度传感器的发展已经很多年了，传感器的技术也不断地成熟，但对于传统的温度传感器来说，它们在恶劣的条件下还是会受到很大的限制；而光纤传感器可以很好地适应强电磁干扰或易燃易爆等场合。所以基于光纤的温度传感器迅速发展起来。光纤温度传感器与
哂薪细逺I的液体（乙醇和苯甲醛混合液体）中时，MMF部分将成为泄露波导，整个结构因此成为导模-泄露引导模式。基于泄露模式，随着液位的增加，功率会进行衰减传播。但SMS结构在测量时需要选择适当的测量波长或者MMF长度来保证它的灵敏度，在实际操作中，切割出微小长度的MMF具有较大难度，不容易精准操作。此外，由于在测量时需要把MMF部分浸入到液体中，导致很难进行封装，不利于实际应用。所以即使它是测量的高折射率液体并且获得了0.57dB/mm液位灵敏度，在实际应用中也很困难。没有办法大规模地投入工业生产和生活中。图1-3SMS结构示意图Figure1-3.SchematicdiagramofSMSstructure1.3温度传感的研究进展和现状温度测量在民用的工程建筑、商用的航空航天、船舶航运输、电力电气工程、生命医学、材料化学等领域[27]越来越重要；传统的测量温度的方式主要是以热电偶、热敏电阻、热释电探测器等工具测得的信号为工作基础，来进行温度的测量。温度传感器的发展已经很多年了，传感器的技术也不断地成熟，但对于传统的温度传感器来说，它们在恶劣的条件下还是会受到很大的限制；而光纤传感器可以很好地适应强电磁干扰或易燃易爆等场合。所以基于光纤的温度传感器迅速发展起来。光纤温度传感器与测量技术是电力电气行业重要的发展方向。因为光纤具有体积孝重量轻、可缠挠、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、耐高温、测量范围大，灵敏度高等特点；在温度测量领域具有重要的意义。
【参考文献】：
期刊论文
[1]分布式光纤传感技术的发展与应用研究[J]. 彭海斌. 工程技术研究. 2019(13)
[2]面向海洋应用的光纤光栅温度传感器研究进展[J]. 王瑨,王永杰,张登攀. 激光与红外. 2019(05)
[3]高灵敏度布喇格光纤光栅温度传感器[J]. 魏昊文,徐宁. 光通信技术. 2019(05)
[4]基于磁致伸缩原理的液位传感器的设计[J]. 曲义宏,付永庆. 应用科技. 2019(02)
[5]采用聚酰胺酸层的高灵敏度长周期光纤光栅温度传感器（英文）[J]. 安佳,王永杰,李芳,刘元辉,彭丹丹. 红外与激光工程. 2018(08)
[6]FBG温度传感器交叉敏感问题的研究[J]. 张登攀,郑艳,王瑨,王永杰. 大气与环境光学学报. 2016(03)
[7]电容式液位传感器的设计[J]. 李一峰,吴振陆,樊海红. 广东海洋大学学报. 2015(01)
[8]高精度超声波液位测量系统的设计与实现[J]. 卢伟,王杨,赵红东,渠建兵,夏克文. 仪表技术与传感器. 2013(07)
[9]长周期光纤光栅的原理及谱特性研究[J]. 苏伟理,欧启标,张超,黄尚荣,吴康泼,江常通. 科技信息. 2011(08)
[10]新型液位检测技术的现状与发展趋势[J]. 杨朝虹,李焕. 工矿自动化. 2009(06)
博士论文
[1]聚合物—石英复合光纤荧光传感器的制备及其应用[D]. 崔民心.中国科学技术大学 2019
[2]接触式温度传感器动态校准技术研究[D]. 李岩峰.中北大学 2018
[3]复模展开方法及其在光纤器件分析中的应用[D]. 薛林林.中国科学技术大学 2013
[4]基于长周期光纤光栅的传感器与解调复用技术研究[D]. 姜萌.浙江大学 2010
硕士论文
[1]反射式LPFG滤波器的研究及应用[D]. 余润泽.浙江工业大学 2017
[2]基于量子点填充的光子晶体光纤荧光温度传感器[D]. 尹晓金.深圳大学 2015
本文编号：3111412
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
功率型测液位示意图[24]
浙江工业大学硕士学位论文4图1-2单模-多模-布拉格光栅结构Figure1-2.Singlemode-multimode-Bragggratingstructure在工业生产和日常生活中，常见的易燃易爆品和化学试剂的折射率往往大于光纤包层折射率，因此，针对较高RI液体设计简单且廉价的液位传感是非常必要的。目前，应用于较高RI的光纤传感器有SMS结构[26]，如图1-3所示为SMS的结构示意图。该结构是在两个单模光纤（SMF）中间熔接一段去除了包层的多模光纤（multimodefiber,MMF）；当它浸没在具有较高RI的液体（乙醇和苯甲醛混合液体）中时，MMF部分将成为泄露波导，整个结构因此成为导模-泄露引导模式。基于泄露模式，随着液位的增加，功率会进行衰减传播。但SMS结构在测量时需要选择适当的测量波长或者MMF长度来保证它的灵敏度，在实际操作中，切割出微小长度的MMF具有较大难度，不容易精准操作。此外，由于在测量时需要把MMF部分浸入到液体中，导致很难进行封装，不利于实际应用。所以即使它是测量的高折射率液体并且获得了0.57dB/mm液位灵敏度，在实际应用中也很困难。没有办法大规模地投入工业生产和生活中。图1-3SMS结构示意图Figure1-3.SchematicdiagramofSMSstructure1.3温度传感的研究进展和现状温度测量在民用的工程建筑、商用的航空航天、船舶航运输、电力电气工程、生命医学、材料化学等领域[27]越来越重要；传统的测量温度的方式主要是以热电偶、热敏电阻、热释电探测器等工具测得的信号为工作基础，来进行温度的测量。温度传感器的发展已经很多年了，传感器的技术也不断地成熟，但对于传统的温度传感器来说，它们在恶劣的条件下还是会受到很大的限制；而光纤传感器可以很好地适应强电磁干扰或易燃易爆等场合。所以基于光纤的温度传感器迅速发展起来。光纤温度传感器与
哂薪细逺I的液体（乙醇和苯甲醛混合液体）中时，MMF部分将成为泄露波导，整个结构因此成为导模-泄露引导模式。基于泄露模式，随着液位的增加，功率会进行衰减传播。但SMS结构在测量时需要选择适当的测量波长或者MMF长度来保证它的灵敏度，在实际操作中，切割出微小长度的MMF具有较大难度，不容易精准操作。此外，由于在测量时需要把MMF部分浸入到液体中，导致很难进行封装，不利于实际应用。所以即使它是测量的高折射率液体并且获得了0.57dB/mm液位灵敏度，在实际应用中也很困难。没有办法大规模地投入工业生产和生活中。图1-3SMS结构示意图Figure1-3.SchematicdiagramofSMSstructure1.3温度传感的研究进展和现状温度测量在民用的工程建筑、商用的航空航天、船舶航运输、电力电气工程、生命医学、材料化学等领域[27]越来越重要；传统的测量温度的方式主要是以热电偶、热敏电阻、热释电探测器等工具测得的信号为工作基础，来进行温度的测量。温度传感器的发展已经很多年了，传感器的技术也不断地成熟，但对于传统的温度传感器来说，它们在恶劣的条件下还是会受到很大的限制；而光纤传感器可以很好地适应强电磁干扰或易燃易爆等场合。所以基于光纤的温度传感器迅速发展起来。光纤温度传感器与测量技术是电力电气行业重要的发展方向。因为光纤具有体积孝重量轻、可缠挠、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、耐高温、测量范围大，灵敏度高等特点；在温度测量领域具有重要的意义。
【参考文献】：
期刊论文
[1]分布式光纤传感技术的发展与应用研究[J]. 彭海斌. 工程技术研究. 2019(13)
[2]面向海洋应用的光纤光栅温度传感器研究进展[J]. 王瑨,王永杰,张登攀. 激光与红外. 2019(05)
[3]高灵敏度布喇格光纤光栅温度传感器[J]. 魏昊文,徐宁. 光通信技术. 2019(05)
[4]基于磁致伸缩原理的液位传感器的设计[J]. 曲义宏,付永庆. 应用科技. 2019(02)
[5]采用聚酰胺酸层的高灵敏度长周期光纤光栅温度传感器（英文）[J]. 安佳,王永杰,李芳,刘元辉,彭丹丹. 红外与激光工程. 2018(08)
[6]FBG温度传感器交叉敏感问题的研究[J]. 张登攀,郑艳,王瑨,王永杰. 大气与环境光学学报. 2016(03)
[7]电容式液位传感器的设计[J]. 李一峰,吴振陆,樊海红. 广东海洋大学学报. 2015(01)
[8]高精度超声波液位测量系统的设计与实现[J]. 卢伟,王杨,赵红东,渠建兵,夏克文. 仪表技术与传感器. 2013(07)
[9]长周期光纤光栅的原理及谱特性研究[J]. 苏伟理,欧启标,张超,黄尚荣,吴康泼,江常通. 科技信息. 2011(08)
[10]新型液位检测技术的现状与发展趋势[J]. 杨朝虹,李焕. 工矿自动化. 2009(06)
博士论文
[1]聚合物—石英复合光纤荧光传感器的制备及其应用[D]. 崔民心.中国科学技术大学 2019
[2]接触式温度传感器动态校准技术研究[D]. 李岩峰.中北大学 2018
[3]复模展开方法及其在光纤器件分析中的应用[D]. 薛林林.中国科学技术大学 2013
[4]基于长周期光纤光栅的传感器与解调复用技术研究[D]. 姜萌.浙江大学 2010
硕士论文
[1]反射式LPFG滤波器的研究及应用[D]. 余润泽.浙江工业大学 2017
[2]基于量子点填充的光子晶体光纤荧光温度传感器[D]. 尹晓金.深圳大学 2015
本文编号：3111412
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