基于保偏光子晶体光纤光栅的双参量传感及性能分析

发布时间：2024-02-16 02:57

　　光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏性能高、响应速率快、动态范围宽、体积小重量轻等优点,是光通信领域的研究热点之一。特种光纤和光纤光栅以其独特的优势,在光纤传感中发挥着重要作用。本文仿真了一种基于保偏光子晶体光纤光栅结构的传感器,实现了对温度和压力双参量的同时测量,研究并分析其在温度变化和不同压力状态下的传感灵敏度;分析了保偏光子晶体光纤光栅的各项几何参数对温度和压力传感性能的影响,提出能够提升传感灵敏度的改进方向,并对参数进行了优化。本文主要工作如下:(1)比较了保偏光子晶体光纤和光纤布拉格光栅在传感领域应用的优缺点。研究了双折射光纤光栅的发展现状,分析了保偏光子晶体光纤光栅传感结构的综合优势,并推导了保偏光子晶体光纤光栅的温度和压力双参量传感原理。(2)利用COMSOL和MATLAB联合仿真了保偏光子晶体光纤光栅特性,实现了对温度和压力的双参量传感。据结果可知,保偏光子晶体光纤光栅的反射频谱由于双折射特性会出现两个谐振峰,两个谐振峰之间的波长差随压力的改变而变化,而两个谐振峰的波长均随着温度和压力的变化而共同变化。通过仿真计算可知,该结构的温度灵敏度为11.26pm/℃,其x方向、Y方向...

【文章页数】：94 页

【学位级别】：硕士

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致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 引言
    1.2 保偏光子晶体光纤的研究背景和应用
    1.3 光纤布拉格光栅的研究背景和应用
    1.4 研究内容和文章结构安排
2 保偏光子晶体光纤光栅传感器工作原理
    2.1 保偏光子晶体光纤的双折射原理
    2.2 光纤布拉格光栅的耦合模理论
        2.2.1 光纤布拉格光栅耦合模方程的推导
        2.2.2 光纤布拉格光栅耦合模方程的求解
    2.3 光纤光栅的温度和压力传感原理
        2.3.1 光纤的温度和应变特性
        2.3.2 不同压力的应力表现形式
        2.3.3 光纤光栅的温度和压力传感
    2.4 保偏光子晶体光纤光栅的传感原理
    2.5 光子晶体光纤中写入光栅的制作方法
        2.5.1 光子晶体光纤的制作工艺
        2.5.2 光纤光栅的制作工艺
        2.5.3 光纤光栅写入光子晶体光纤的制备方法
    2.6 本章小结
3 保偏光子晶体光纤光栅特性分析
    3.1 保偏光子晶体光纤的仿真模型
    3.2 保偏光子晶体光纤的折射率变化特性分析
        3.2.1 基本折射率数值仿真
        3.2.2 温度对折射率参数的影响
        3.2.3 压力对折射率参数的影响
    3.3 光纤布拉格光栅的传感特性分析
        3.3.1 FBG反射谱
        3.3.2 温度传感特性
        3.3.3 压力传感特性
    3.4 保偏光子晶体光纤光栅的传感特性分析
        3.4.1 PM-PCFBG反射谱
        3.4.2 温度传感特性
        3.4.3 压力传感特性
    3.5 本章小结
4 保偏光子晶体光纤光栅传感器参数的优化设计
    4.1 PM-PCFBG截面几何参数对温度和压力传感灵敏度的影响
        4.1.1 光纤直径对温度和压力灵敏度的影响
        4.1.2 大空气孔直径对温度和压力灵敏度的影响
        4.1.3 小空气孔直径对温度和压力灵敏度的影响
        4.1.4 大空气孔间距对温度和压力灵敏度的影响
        4.1.5 小空气孔间距对温度和压力灵敏度的影响
    4.2 PM-PCFBG光栅参数对温度和压力传感灵敏度的影响
    4.3 PM-PCFBG传感器参数的优化选择
        4.3.1 温度和X方向横向压力双参量传感的优化
        4.3.2 温度和Y方向横向压力双参量传感的优化
        4.3.3 温度和均匀体应力双参量传感的优化
    4.4 本章小结
5 总结与展望
    5.1 本文的主要研究工作
    5.2 下一步工作展望
参考文献
作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集



本文编号：3900700