基于螺旋锥的马赫-曾德尔干涉仪光纤传感器研究

发布时间：2022-01-04 00:53

　　与传统的电学传感器相比,光纤传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰以及耐腐蚀等优点,近年来得到了研究者们的广泛关注。随着材料科学与先进加工工艺的发展,出现了各种光纤传感器制备方法,例如飞秒激光加工、离子束刻蚀和高温电弧放电等,其中利用电弧放电法制备光纤马赫-曾德尔干涉仪等传感器,由于其操作简单、成本低等优势吸引了较多关注。基于马赫-曾德尔干涉仪原理的光纤螺旋锥结构,作为一种新型扭转传感器已经成为一个研究热点。本论文对基于螺旋锥结构的马赫-曾德尔干涉仪光纤传感器进行详细探索,研究其制备方法及扭转、温度、应变和折射率等传感特性。首先,利用熔接机电弧放电方法在熊猫光纤上制备螺旋锥结构。采用电弧放电结合旋转一端光纤的方法制备螺旋锥结构,通过优化放电时间和光纤夹具旋转角度等参数,得到最优的制备参数:（第二阶段）放电时间是7 s,夹具旋转角度为360^°。并对所制备的光纤螺旋锥结构进行扭转、温度和应变传感测试。实验结果表明,该结构具有优异的扭转特性,灵敏度约比其他光纤扭转传感器高一个数量级,达到-3.191nm/（rad/m）,并且可分辨扭转的方向（顺时针/逆时针）;进一步研究发... 

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基于微机械谐振器的光纤压力传感器原理图[36]

吉林大学硕士学位论文6生改变，则会使光纤干涉仪的长度或有效折射率发生变化，进而导致干涉光谱的波长产生漂移或者使光谱强度改变。通过光谱分析仪实时监测光谱波长或强度值，即可得出外界物理量的变化值。图1.2光纤马赫-曾德尔干涉仪传感原理示意图1.2.2几种常见的马赫-曾德尔干涉仪传感结构近年来，基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤传感结构日益增多，常见的主要有以下几种类型：不同类型光纤的级联，长周期光纤光栅（LPFG）、光纤布拉格光栅（FBG）、纤芯错位结构、光纤锥结构和S型光纤锥结构等的各种级联组合等。由于马赫-曾德尔干涉仪其制备过程简单、灵敏度高等优点，吸引了人们的广泛关注，下面将详细列举一些基于上述传感结构级联构成的光纤马赫-曾德尔干涉仪。（1）不同类型光纤的级联如图1.3所示是由不同类型光纤级联组成的马赫-曾德尔干涉仪，其中图(a)[54]是基于细芯光纤(TCF)和光子晶体光纤(PCF)级联的传感结构，图(a)中的红色和绿色箭头清楚地标示了入射光在该传感器中的传输路径。首先由于纤芯直径的不匹配，光由单模光纤(SMF)传输至TCF时，在纤芯中传输的光有一部分被耦合到包层。当继续传输至PCF时，部分入射光沿着PCF的空气间隙传输，之后汇合并发生干涉。文献[54]通过在两个单模光纤(SMFs)之间连接相同长度的TCF和PCF，制备了一种基于马赫-曾德尔干涉仪的新型的高灵敏度应变传感器。该传感器具有优越的应变传感性能，其透射光谱在空气中的消光比可以达到20dB，并且在0~4000的应变范围内，其灵敏度达到-1.95pm/。此外，进一步的研究发现，该应变传感器的灵敏度与马赫-曾德尔干涉仪的长度密切相关，通过优化结构长度，可以进一步提高其传感灵敏度。如图(b)所示[55]，该文献提出了一种基于波长解调的超高灵敏度光纤液

第1章绪论7光纤(SMF)上刻写光纤布拉格光栅(FBG)。该马赫-曾德尔干涉仪的传感原理是基于纤芯失配和有效折射率不同的模态。实验结果表明，该传感器的液位灵敏度为1.145nm/mm，线性度可达0.996。另外，通过进一步级联FBG，可以实现传感器的动态温度补偿，进行液位微小变化的实时智能监测。图1.3(a)基于TCF-PCF结构的马赫-曾德尔干涉仪[54]；(b)基于MMF-HCF-FBG结构的马赫-曾德尔干涉仪[55]（2）光纤锥和光纤锥级联如图1.4所示，在单模光纤上分别制备光纤凸锥和光纤凹锥结构，组成马赫-曾德尔干涉仪。图(a)所示结构[56]是最常见的马赫-曾德尔干涉仪之一，利用电弧放电的方法，间隔一段距离，在单模光纤上制备两个光纤锥结构。其中，两个光纤凹锥的长度和直径分别为707和40，所制备三个干涉仪的长度分别是24、36和55mm。除此之外，图(a)中的两个光纤锥分别相当于图1.2中的耦合器1和耦合器2，起到分束和合束的作用。而相比于图(a)，文献[57]中图(b)所示的结构稍微复杂，但两者的传感原理相同。并且基于图(b)结构的光纤传感器可以同时测量折射率、应变和温度等，其折射率灵敏度为131.93nm/RIU、应变灵敏度是0.0007nm/、温度灵敏度是0.0878nm/℃。图1.4(a)光纤凹锥和光纤凹锥级联[56]；(b)光纤凸锥+光纤凹锥+光纤凸锥[57]构成的光纤马赫-曾德尔干涉仪


本文编号：3567317