基于游标效应的分离型双法布里-珀罗增敏系统的研究

发布时间：2020-08-06 22:31

【摘要】：光纤传感器,因其结构简单、不受电磁干扰等优点,被广泛应用于传感领域。在各种光纤传感器中,光纤法布里-珀罗(F-P)传感器可做到光信号单端收发,干涉光谱对比度高,响应迅速而被广泛应用于压力、温度等传感量的测量。近年来,多种基于F-P干涉原理的光纤传感器被设计制作出来。随着对光纤F-P传感器研究的深入,如何提高传感器的测量灵敏度成为了学者最为关心的研究方向之一。本文基于游标效应设计了一种分离型双F-P结构,可在不改变原传感器结构的基础上,提高光纤F-P传感器的灵敏度,结构相同的传感腔和辅助腔处于相同的交叉敏感环境中时,可消除交叉敏感量对光谱的影响。本文所做的主要工作如下:首先,介绍了光纤传感器的研究历程,详细介绍了历年来学者在光纤F-P结构、解调方法、灵敏度提升方面的研究成果。其次,研究了光纤F-P干涉光强表达式,分析了自由光谱范围与腔长的关系以及同阶次内干涉光谱漂移与腔长变化的关系;提出了分离型双F-P结构的理论模型,得到了双腔调制后的干涉光谱表达式,并重点分析了此结构的增敏机理以及消除交叉敏感量对干涉光谱影响的原理;另外针对膜片型光纤F-P传感器,分析了弹性膜片形变与压强的关系。再次,通过理论仿真和实验研究了光纤F-P的基础特性,验证了本文对光纤F-P基础特性的理论分析。然后仿真研究了膜片型光纤F-P传感器干涉光谱与压强的关系,并制备了一组膜片型光纤F-P传感器,通过水深实验,验证了本文对膜片型光纤传感器的理论分析。最后,通过理论仿真得到了分离型双F-P的干涉光谱,证明了分离型双F-P结构可以提升传感器灵敏度并能够消除交叉敏感对传感器的影响。制备了两组分离型双F-P结构,分别用于温度实验和压强实验,实验结果表明分离型双F-P结构在不改变原传感器结构的前提下,压强灵敏度提升了9倍,温度灵敏度提升了5倍。设计实验证明了若以温度作为交叉敏感量,双腔处于相同温度环境时,温度对干涉光谱的影响可以被消除。该结构在提升干涉型传感器灵敏度方面有一定的应用价值。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212
【图文】：

原理图,多光束干涉,原理图

第 2 章光纤F-P理论分析言章通过研究经典平板 F-P 干涉模型，得到了多光束干涉的基本特性，由干涉可看做双光束干涉，本章分析了双光束干涉模型，分析得到了双光表达式，设计并分析了分离型双 F-P 增敏结构的理论模型。由于本文第章使用的传感器为膜片型光纤传感器，在本章的最后分析了膜片型光纤中膜片的弹性力学性质。个 F-P 干涉仪的基本原理典的 F-P 干涉是多光束干涉，理想的本征 F-P 干涉仪是一块上下平行的薄 I 以一定角度射入薄膜的一个平行面后，在薄膜的两侧都有多束平行光侧的平行光束分别在两侧叠加产生 F-P 干涉。光束 F-P 干涉原理图如图 2-1 所示[44]。

光程差,计算原理,光束,相位差

图 2-2 相邻光束光程差计算原理图图 2-2 中，设从薄膜向真空中入射时，反射角为，出射角为，设空 1，相邻光束的光程差为 L nAB nBC ADcosdAB BC AC 2d tan sinsin 2 sincosAD AC d 2 2sin sincos cosnd dL 折射定律(认为真空折射率为 1) n sin sin 得22 2 2sin sin (1 sin ) 2 coscos cos cosnd d ndL nd 据相位差和光程差之间的关系得相位差为

结构图,分离型,结构图,辅助腔

游标效应的双 F-P 增敏结构，在近年来受到了学者的广泛关注 F-P 增敏结构，均是集成式的双 F-P 增敏结构即传感腔和辅助置。集成式双 F-P 增敏结构具有结构紧凑、灵敏度高等优点，构的传感腔和辅助腔结构不同，传感腔对传感量敏感而辅助腔据游标效应原理分析，辅助腔受传感量的影响尤其是非线性影敏度，而目前并没有文献对此进行详细的报道。同时集成式双紧凑但制备困难，一旦成型很难调整传感腔与辅助腔的长度配解决上述问题，本文提出分离型双 F-P 结构，将传感腔和辅助辅助腔不受传感量的影响。本节对分离型双 F-P 结构的增敏机如果双腔同时受到交叉敏感量的影响，该结构可消除交叉敏感小节对此也进行了详细的叙述。离型双 F-P 结构增敏机理分析所设计的分离型双 F-P 结构如图 2-3 所示。

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