基于干涉原理的光纤传感器设计与特性研究

发布时间：2018-06-28 14:03

本文选题：扩径光纤锥 + 马赫-曾德尔干涉仪　；参考：《北京交通大学》2016年博士论文

【摘要】：光纤传感系统包括以光纤为基础的光采集、传输和处理,相比单纯的电信号传感,光纤传感有诸多优良的特性。例如,大容量的信息传输、抗电磁干扰、更强的抗腐蚀能力、更好的安全性等,这使得光纤传感已经成为现代传感领域不可或缺的重要组成部分。本文的研究重点集中在基于干涉仪结构的光纤传感器设计及特性分析,具体研究成果包括以下几个方面：(1)提出扩径光纤锥的模型设计并实验制作。锥型光纤的半径沿纵向逐渐变化,这必然导致光纤模式之间的功率交换。扩径光纤锥是在光纤上制作半径大于原有光纤的锥型结构,此结构与传统的细锥相类似,都可以实现模式间的功率耦合,不同之处在于扩径光纤锥由于光纤半径的增加而大大增强了其机械强度,尤其针对横向剪切力的抵抗能力有很大提升。以麦克斯韦方程为基础,推导出扩径光纤锥的模场分布规律以及描述模式间功率转换的耦合模方程,并对模式间的耦合系数进行简化,得出更加简便的表示形式。扩径光纤锥的制作采用光纤熔接机对光纤进行熔融,并同时施加外力以获得大半径的光纤锥。(2)提出基于扩径光纤锥的马赫-曾德尔干涉仪。在同—根单模光纤中相隔一定光纤长度制作两个扩径光纤锥以构成马赫-曾德尔干涉仪结构。通过理论和实验证明了该干涉仪作为液位传感器的可行性,实验获得0.2250nm/cm的液位敏感度。利用光纤的弯曲改变其中模式分布及其传输常数,使得基于扩径光纤锥的马赫-曾德尔干涉仪在基于光纤弯曲的位移测量中实现传感应用。将此干涉仪作为滤波器接入到环行腔光纤激光器中,获得输出激光峰值对应波长随位移的线性变化关系,其位移测量敏感度为4.49nm/mm。光纤传输模式会受到外部折射率的影响,特别针对直径很细的光纤,因此,将两扩径光纤锥之间的光纤拉细形成哑铃形的马赫-曾德尔干涉仪结构,用于折射率测量可以最大限度的提升其折射率测量的敏感度,敏感度最大数值达到836nm/RIU。(3)提出以干涉仪的光谱条纹宽度来度量微小位移变化的马赫-曾德尔干涉仪。通常基于串联3-dB耦合器的光纤马赫-曾德尔干涉仪在稳定性上很难保证,特别是当两个光纤臂过长时,它们所感应到的外部干扰差异极大,导致其传输光谱的波动十分严重。为了增强该干涉仪的抗干扰能力以适用于环境参量的测量,利用光谱干涉条纹宽度随位移的变化特性来进行传感应用,实验中获得了最高66nm/μm的位移测量敏感度。(4)提出基于金属材质V型槽的非本征型法布里-珀罗干涉仪。在以光纤为基本结构的温度传感器中,多数依靠光纤自身的热膨胀系数来实现温度的敏感性,这大大限制了敏感度的提高。利用热膨胀系数更高的金属材料作为V型槽来固定光纤法布里-珀罗干涉仪,能够在温度变化时大幅度改变其腔长,进而获得更高的传感敏感度。在理论和实验中对干涉仪的各个参数进行了分析,包括：初始腔长、两固定点初始距离、V型槽的材料热膨胀系数、光纤端面反射率等。并通过实验获得了最大260.7nm/℃的温度测量敏感度,这是目前为止发现的基于光纤结构温度传感器的敏感度最大值。
[Abstract]:In this paper , the optical fiber optic cone is designed and fabricated by using the fiber fusion machine . ( 4 ) The non - eigenFabry - Perot interferometer based on V - shaped groove of metal material is proposed . In the temperature sensor with the optical fiber as the basic structure , most of the temperature sensitivity is realized by the coefficient of thermal expansion of the optical fiber itself .
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

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