干涉型光纤传感关键技术研究

发布时间：2017-11-14 19:31

  本文关键词：干涉型光纤传感关键技术研究

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【摘要】：干涉型光纤传感器具有响应灵敏度高、超大的频率动态响应范围、抗电磁干扰等特点。基于以上特点,干涉型光纤传感器已被广泛应用于石油化工、结构健康监测、环境监测、生物医学等领域,因此干涉型光纤传感技术作为传感领域中最重要的传感技术之一备受关注。本论文主要对全光纤干涉结构的制作工艺与方法、响应增敏技术以及传感器信号解调等关键技术进行了研究,设计并制作了几种新型的高灵敏光纤传感器,并对传感器的折射率、温度、气体浓度等物理量的响应特性进行了理论和实验研究。本文主要研究工作及创新点如下:(1)设计基于单模光纤-多模光纤-单模光纤-错位熔接点-单模光纤结构的Mach-Zehnder干涉仪型传感器,制作了传感器样品,并对传感器的折射率响应特性进行了实验研究。实验结果表明:溶液折射率变化范围为1.3589-1.3922时可实现折射率的检测。并且在1.3720-1.3922的折射率变化范围内,传感器具有很好的线性响应,线性响应灵敏度为252.06dB/RIU。通过检测该传感器输出光功率的变化可以解调出折射率变化的信息。将该传感器应用于传感系统时,不需要昂贵的波长检测器件,有效降低了检测成本。(2)设计并制作了一种基于单模光纤-多模光纤-细芯光纤-单模光纤的Mach-Zehnder干涉仪型可同时测量折射率和温度的传感器。通过对传感器的输出光谱进行傅里叶变换分析可知,形成传感器输出光谱的主要模式为LP01模和LP16模。该传感器输出光谱中1535nm和1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-55.90nm/RIU、0.0501nm/℃和-56.26nm/RIU、0.0505nm/℃。在折射率和温度变化范围分别为1.3449-1.3972和20℃-90℃的环境中对传感器的响应特性进行实验研究,结果表明:透射光谱中1535nm和1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-53.03nm/RIU、0.0465nm/℃和-54.24nm/RIU、0.0542nm/℃。理论分析与实验结果相一致。(3)干涉型光纤传感器的输出光谱是由多个包层模分别与纤芯模干涉后叠加形成,利用傅里叶变换将起主导作用的包层模与纤芯模所形成的双光束强度曲线提取出来进行环境折射率检测。通过这种方法可以减小由多模干涉效应所引起的测量误差,提高传感器测量精度。(4)设计并制作了单模光纤-光纤锥-多模光纤-单模光纤-错位熔接点-单模光纤结构的Mach-Zehnder干涉仪型传感器。在传感臂中激发出两个能量较强的包层模,通过傅里叶变换将这两个包层模与纤芯模干涉所形成的双光束强度曲线分别解调出来,实现折射率和温度的同时测量。(5)通过将石墨烯材料涂覆技术与在微纳光纤制作技术相结合,制作高灵敏的干涉型气体光纤传感器,并进行理论分析和实验研究。上述传感器具有制作简单、结构紧凑、灵敏度高等优点,通过结合传感器响应增敏和传感信号解调等关键技术可以进一步提高传感器的测量精度和灵敏度,具有一定的实用价值。
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

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本文编号：1186741