基于F-P腔和Michelson干涉仪的光纤传感技术研究
发布时间：2020-09-11 15:46
当今社会是一个信息化的社会,能够快速、准确地获取各种关键信息,必然会成为发展的一大优势。光纤传感技术自发明之日起,就因为其结构紧凑、不受电磁干扰、耐腐蚀、稳定性高以及方便远程测量等优点,引起了人们极大的关注,被广泛应用到了诸如国防军事、环境保护、医学、生物、化学、航天航空及质量监测等领域。光纤传感器可以快速准确地测量温度、压力、湿度、折射率、应变等一些物理量,但是目前大多数光纤传感器过于追求新材料,对制作工艺要求复杂,加工也比较困难,这些限制会增加光纤传感器的成本,对它们的大规模的使用和推广有一定的影响。因此,本文设计制作了F-P光纤传感器、Michelson光纤传感器和混合光纤传感器,并就它们的传感特性进行了一系列实验研究。本论文的主要内容如下:(1)简要介绍了本文的研究背景,以及论文研究内容的实际意义,又讲述了光纤传感器的大致分类,重点叙述了F-P、Mach-Zehnder和Michelson光纤传感器的国内外研究现状。(2)采用熔接法,在大量实验总结的优化熔接参数指导下,利用石英毛细管和普通单模光纤设计出了一种F-P光纤传感器,简单叙述了它的结构及其制作过程,使用Matlab对它进行了一定的理论分析。该传感器的传感特性实验结果表明,它对温度的灵敏度结果为0.16pm/℃,对应变的灵敏度结果为3.72pm/με,也就是传感器对温度不敏感,测量应变的时候可以不考虑温度的交叉影响问题。(3)利用单模光纤熔融成的球状结构后再接一段单模光纤,设计出了一种Michelson光纤传感器,简要介绍了它的结构及其制作过程,并对它的传感原理进行了分析。该传感器的传感特性实验结果显示,它对温度的灵敏度为54.69pm/℃,它对应变的灵敏度结果为0.90 pm/με,即该传感器对应变极不敏感,测量温度的时候可以不考虑应变的交叉影响问题。(4)将上述的F-P腔和构成Michelson光纤传感器的球状结构级联,形成一种新的混合光纤传感器,对该传感器的光谱特性进行了简要介绍,并针对它的传感特性进行了实验研究,结果显示,在不同的干涉波长处,传感器对温度和应变的响应不同,根据这个特性,该传感器能够实现对温度和应变的同时测量。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TP212;TH744.3
【部分图文】：
第 1 章 绪 论1.1 光纤传感的背景及研究目的与意义光纤是光导纤维的简写，它是一种主要由二氧化硅制成的透明度高、直径极小的玻璃纤维，传输光波的基本原理是光的全反射原理。光纤传感技术是利用在光纤中传播的光束，传输外界待测物理量信号的传感技术。作用于传感探头的外界待测物理量（如温度、应变、折射率、压力、湿度等）发生变化时，在光纤中传输的光波的特征参量（如相位、光强、偏振、波长等）就会发生相应的变化，找出两者之间的变化关系，进而就能得出物理量的变化量，光纤传感器的原理如图 1-1 所示。光源发出的光通过光纤经过传感探头，在外界待测物理量的影响下，光波自身特征参量发生变化，然后被光谱分析仪接收，从而解调出有用信号，达到传感目的[1-2]。
据输出的干涉光谱的变化就能推出腔长的变化以及待测物理量的变化，实现传感测量。例如，将光纤 F-P 腔固定到一个物体上，物体的形变会 F-P 腔的腔长，导致输出的干涉光谱发生变化，这就可以制成 F-P 光纤/振动等传感器；将光纤 F-P腔固定到热膨胀系数高并且线性度好的材料腔长随材料的变化而变化，这就是 F-P 光纤温度传感器；将光纤 F-P 固磁/电致伸缩材料上，就可以构成 F-P 光纤磁场/电压传感器等等。图 1-2 F-P 光纤传感器结构图
Juncheng Xu 等人将单模光纤固定到内径比较大的石英毛细管中，其中单模光纤的末端熔接有极小一段多模光纤，熔接点构成一个反射面，另一个反射面是一定厚度的硅膜，该传感器在 700℃的温度下对压力的灵敏度 2.93nm/psi[21]。2009 年， S.H.Aref 等人利用空芯光子晶体光纤（hollow-core photoniccrystal fiber，HCPCF）的两端和单模光纤连接在一块从而形成传感器，实验分别得到±1.4με 的微应变分辨率和±0.2℃的温度分辨率，并且该结构对曲率不敏感[22]。次年，重庆大学的徐敏、朱涛等人也提出了一种基于 HCPCF 的F-P 光纤传感器，用来测量液体的折射率，实验结果表明，液体的折射率在1.3340~1.3612 内变化时，该传感器的折射率灵敏度高达 187μm/RIU[23]。2013年，燕山大学的张燕君等人提出了一种测量应变的 HCPCF 的 F-P 光纤传感器，他们将空芯光子晶体光纤的一端与单模光纤熔接形成反射面 1，将另一端通过在熔接机内放电使端面塌陷形成反射面 2，构成以空芯光子晶体光纤为 F-P 腔的干涉传感器，如图 1-4 所示。实验结果显示，该传感器在 F-P 腔长为 2mm 情况下的室温应变灵敏度为 3.1nm/με[24]。
本文编号：2816863
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TP212;TH744.3
【部分图文】：
第 1 章 绪 论1.1 光纤传感的背景及研究目的与意义光纤是光导纤维的简写，它是一种主要由二氧化硅制成的透明度高、直径极小的玻璃纤维，传输光波的基本原理是光的全反射原理。光纤传感技术是利用在光纤中传播的光束，传输外界待测物理量信号的传感技术。作用于传感探头的外界待测物理量（如温度、应变、折射率、压力、湿度等）发生变化时，在光纤中传输的光波的特征参量（如相位、光强、偏振、波长等）就会发生相应的变化，找出两者之间的变化关系，进而就能得出物理量的变化量，光纤传感器的原理如图 1-1 所示。光源发出的光通过光纤经过传感探头，在外界待测物理量的影响下，光波自身特征参量发生变化，然后被光谱分析仪接收，从而解调出有用信号，达到传感目的[1-2]。
据输出的干涉光谱的变化就能推出腔长的变化以及待测物理量的变化，实现传感测量。例如，将光纤 F-P 腔固定到一个物体上，物体的形变会 F-P 腔的腔长，导致输出的干涉光谱发生变化，这就可以制成 F-P 光纤/振动等传感器；将光纤 F-P腔固定到热膨胀系数高并且线性度好的材料腔长随材料的变化而变化，这就是 F-P 光纤温度传感器；将光纤 F-P 固磁/电致伸缩材料上，就可以构成 F-P 光纤磁场/电压传感器等等。图 1-2 F-P 光纤传感器结构图
Juncheng Xu 等人将单模光纤固定到内径比较大的石英毛细管中，其中单模光纤的末端熔接有极小一段多模光纤，熔接点构成一个反射面，另一个反射面是一定厚度的硅膜，该传感器在 700℃的温度下对压力的灵敏度 2.93nm/psi[21]。2009 年， S.H.Aref 等人利用空芯光子晶体光纤（hollow-core photoniccrystal fiber，HCPCF）的两端和单模光纤连接在一块从而形成传感器，实验分别得到±1.4με 的微应变分辨率和±0.2℃的温度分辨率，并且该结构对曲率不敏感[22]。次年，重庆大学的徐敏、朱涛等人也提出了一种基于 HCPCF 的F-P 光纤传感器，用来测量液体的折射率，实验结果表明，液体的折射率在1.3340~1.3612 内变化时，该传感器的折射率灵敏度高达 187μm/RIU[23]。2013年，燕山大学的张燕君等人提出了一种测量应变的 HCPCF 的 F-P 光纤传感器，他们将空芯光子晶体光纤的一端与单模光纤熔接形成反射面 1，将另一端通过在熔接机内放电使端面塌陷形成反射面 2，构成以空芯光子晶体光纤为 F-P 腔的干涉传感器，如图 1-4 所示。实验结果显示，该传感器在 F-P 腔长为 2mm 情况下的室温应变灵敏度为 3.1nm/με[24]。
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 王艳;童峥嵘;张卫华;栾盼盼;赵月;薛力芳;;Research on optical fiber magnetic field sensors based on multi-mode fiber and spherical structure[J];Optoelectronics Letters;2017年01期
2 张燕君;刘双柱;苏玉玲;;HCPCF端面塌陷成腔工艺的F-P应变传感器[J];光电工程;2013年01期
3 林巧;陈柳华;李书;吴兴坤;;基于光纤-镜面干涉腔的光纤加速度计[J];光学精密工程;2011年06期
4 朱涛;徐敏;饶云江;柯涛;刘良辰;;基于空芯光纤的集成式全光纤法-珀干涉式湿度传感器[J];光学学报;2010年06期
5 徐敏;朱涛;饶云江;柯涛;史翠华;;基于空芯光子晶体光纤的F-P干涉式折射率计[J];光电子.激光;2010年01期
相关博士学位论文 前1条
1 张珊珊;新型光纤M-Z干涉传感结构及特性研究[D];南开大学;2014年
本文编号：2816863
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