空间非对称调制型光纤M-Z干涉仪

发布时间：2017-10-03 21:30

  本文关键词：空间非对称调制型光纤M-Z干涉仪

  更多相关文章： 光纤M-Z干涉仪 矢量传感 弯曲传感 扭转传感 非对称调制 长周期光纤光栅 锥

【摘要】：近年来,随着经济的快速发展和社会的不断进步,食品、环境、工程检测成为社会发展过程中越来越重要的一个环节,新型传感器的研制成为学术界与工程界的热点课题。光纤传感器作为新型传感器的重要成员,因其结构紧凑、抗电磁干扰、灵敏度高、反应快、易于复用、可远程感测等诸多优势,已在很多领域得到应用。其中,光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI),就是其应用广泛的结构形式之一,MZI的工作原理是利用待测参量改变信号臂与参考臂之间的相位差,然后通过解调技术得到所需感测参量的实际信息。光纤由于其体积小、质量轻等特点,通过微加工技术将两路光集成在同一根光纤上,可以制成结构更加紧凑,性价比更高的全光纤MZI。本文从非对称折射率调制的设计角度出发,提出并制作了两种新型光纤MZI,建立了理论分析模型,并进行了弯曲和扭转传感实验,理论分析与实验结果相符。空间非对称性的引入,使得MZI具有感测空间矢量大小和方向的能力,并对MZI进行了弯曲和扭转传感实验验证。在此基础上,对两种新型MZI进行了结构优化,有效提高了其传感性能。1.提出一种基于CO_2激光器脉冲写制的扇形长周期光纤光栅(SLPFG)矢量弯曲传感器,通过写制渐变栅面的非对称长周期光纤光栅,得到了具有弯曲方向识别能力的光纤MZI。进行了弯曲传感实验测量,在-2.0 m~(-1)~0 m~(-1)弯曲测量范围内,SLPFG弯曲灵敏度为8.53 nm/m~(-1);在0 m~(-1)~2.0 m~(-1)弯曲测量范围内,SLPFG弯曲灵敏度为2.82 nm/m~(-1)。在获得较高灵敏度的同时,解决了普通CO_2激光器脉冲写制的LPFG对微弯不敏感的问题。2.建立了SLPFG干涉模型,将普通长周期光纤光栅(LPFG)的干涉谱与不同倾斜角度SLPFG的干涉谱进行了对比,计算了LPFG与SLPFG的栅格折射率调制深度,分析了4°SLPFG的干涉机理。并从理论上解释了SLPFG弯曲灵敏度非对性的原因。3.提出一种基于熊猫型保偏光纤拉制扭转锥的光纤MZI方向性扭转传感器,采用施加预扭应力拉锥方法使锥区形成螺旋结构,得到了具有扭转方向识别能力的光纤MZI。进行了扭转传感实验测量,在-8 rad/m~0 rad/m测量范围内,扭转灵敏度达到2.392nm/rad.m~(-1);在0 rad/m~8 rad/m测量范围内,扭转灵敏度达到1.071nm/rad.m~(-1),实现了扭转大小与方向的测量。4.建立了保偏光纤扭转锥干涉模型,分析了其干涉谱峰值扭转响应不同的原因,对峰值的扭转响应进行了理论计算,并得出了与实验较为符合的响应曲线。
【关键词】：光纤M-Z干涉仪 矢量传感 弯曲传感 扭转传感 非对称调制 长周期光纤光栅 锥
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH744.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-22
• 第一节 光纤干涉型传感概述10-17
• 1.1.1 光纤传感器的发展10-12
• 1.1.2 Mach-Zehnder光纤干涉传感器12-13
• 1.1.3 Michelson光纤干涉传感器13-15
• 1.1.4 Fabry-perot光纤干涉传感器15-16
• 1.1.5 Sagnacc光纤干涉传感器16-17
• 第二节 空间非对称调制型光纤M-Z干涉仪研究进展17-20
• 1.2.1 空间非对称调制干涉仪发展17-18
• 1.2.2 空间非对称调制方法简介18-20
• 第三节 研究内容及创新点20-22
• 1.3.1 论文研究内容20-21
• 1.3.2 主要创新点21-22
• 第二章 光纤M-Z干涉仪的工作原理分析22-30
• 第一节 光纤M-Z干涉仪的工作机理22-24
• 第二节 光纤M-Z干涉仪标量传感原理24-27
• 2.2.1 折射率传感24-26
• 2.2.2 温度传感26-27
• 第三节 光纤M-Z干涉仪矢量传感原理27-29
• 2.3.1 弯曲传感27-28
• 2.3.2 扭转传感28-29
• 本章小结29-30
• 第三章 扇形光栅矢量弯曲传感器30-38
• 第一节 矢量弯曲传感器的研究背景30-32
• 第二节 基于扇形光栅矢量弯曲传感器理论研究32-35
• 3.2.1 扇形光栅传感器结构设计及模式分析32-33
• 3.2.2 不同倾斜角度扇形光栅光谱特性33-35
• 第三节 扇形光栅矢量弯曲传感器实验研究及结果分析35-37
• 本章小结37-38
• 第四章 扭转锥光纤M-Z干涉仪38-46
• 第一节 扭转传感器的研究背景38-39
• 第二节 扭转锥光纤M-Z干涉仪理论研究39-42
• 第三节 扭转锥光纤M-Z干涉仪实验研究及结果分析42-45
• 4.3.1 扭转特性研究及分析42-45
• 4.3.2 温度特性研究及分析45
• 本章小结45-46
• 第五章 总结与展望46-48
• 一、总结46-47
• 二、展望47-48
• 参考文献48-55
• 致谢55-56
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果56

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本文编号：966869