光子晶体光纤传感技术的研究

发布时间：2017-08-15 15:26

  本文关键词：光子晶体光纤传感技术的研究

  更多相关文章： 光子晶体光纤 光纤传感器 压力 温度 应变 温度补偿

【摘要】：光子晶体光纤具有传统光纤无法比拟的独特结构和导光机制，引起了学术界的广泛关注，其近年来已经成为光纤传感领域的一个研究热点。本文针对光子晶体光纤，利用其独特的导光机制和模式耦合理论，提出了三种不同结构的光子晶体光纤传感器，并研究了这三种光子晶体光纤传感器的应用情况。本文主要研究内容以及创新点如下： 1、光子晶体光纤的基本特性研究：介绍了两种光子晶体光纤的基本情况，并研究了光子晶体光纤与普通单模光纤的熔接参数和熔接损耗。全固光子带隙光纤易与普通单模光纤熔接，，熔接损耗低至0.7dB；无截止单模光纤可以通过熔接机手动模式实现与普通单模光纤的熔接，熔接损耗为1.3dB。 2、分布式光子晶体光纤压力传感器：该传感器是由一段全固光子带隙光纤构成的，全固光子带隙光纤的末端镀有反射率为99%的反射膜。通过分析压力作用前后该传感器的工作原理，发现该传感器能够同时测量压力的大小和位置。实验结果表明，该传感器能够实现压力的分布式测量，对于8cm长的该传感器来说，压力点位置测量的误差为±0.1cm，谐振波长的振幅与压力大小成正比。 3、微小型光子晶体光纤高温传感器：该传感器是由一段无截止单模光纤构成的，利用光纤打磨技术可以控制传感器的尺寸。通过分析温度对该传感器的影响发现，温度会引起该传感器干涉光谱的移动，通过测量谐振波长可以实现温度的测量。该传感器可以采用两种不同的方案进行解调：第一种解调方案是基于双波长功率探测来实现的，通过分析两束不同波长的激光对温度的响应来实现温度的测量，可以测量的温度上限为500℃，测量速度仅受电处理单元的限制，从而实现高速的温度测量；第二种解调方案是基于线阵CCD微光谱仪来实现的，其通过分析干涉光谱对温度的响应来实现温度的测量，可以测量的温度上限为1200℃，测量分辨率为10℃，可以提高温度测量的精度。由于该传感器在几十到几百个微米的尺寸上可测量较高的温度，其可以实现小范围内的高温测量。通过分别利用该传感器与其他传感器测量电热箱、电阻丝和电烙铁的温度，发现二者温度测量结果一致，从而验证了该传感器能够对温度进行准确地测量。通过将该传感器用于引信桥丝的温度测量中，可以看出该传感器能够有效的实现引信桥丝的温度测量，测量结果受到了相关单位的认可。 4、基于光子晶体光纤的温度补偿型Mach-Zehnder干涉仪：该干涉仪是由一段无截止单模光纤构成的。通过分析温度和应变对该干涉仪的影响可知，温度和应变增加会引起其白光光谱向两个相反的方向移动。基于该干涉仪的这一特点，提出该干涉仪可以利用适当的封装材料来实现温度补偿。通过实验验证了，该干涉仪的温度特性和应变响应。通过测试该干涉仪在不同封装材料下的效果发现，陶瓷封装的该干涉仪温度补偿效果最佳，温度稳定性为1pm/℃。通过实验研究温度补偿效果与该干涉仪长度的关系，以陶瓷作为封装材料，对于不同长度的该干涉仪，封装后的温度稳定性并没有明显的变化，由此可见，陶瓷材料的封装效果不会随着干涉仪的长度发生变化。
【关键词】：光子晶体光纤 光纤传感器 压力 温度 应变 温度补偿
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN253
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-32
• 1.1 本论文研究的目的和意义14-15
• 1.2 光子晶体光纤简介15-21
• 1.2.1 分类16-17
• 1.2.2 特性17-19
• 1.2.3 应用19-21
• 1.3 光子晶体光纤传感技术的研究进展21-28
• 1.3.1 干涉型光子晶体光纤传感器22-24
• 1.3.2 光子晶体光纤光栅传感器24-25
• 1.3.3 液体填充光子晶体光纤传感器25-26
• 1.3.4 微纳加工光子晶体光纤传感器26-28
• 1.4 选题意义、研究内容和创新点28-32
• 第2章 光子晶体光纤特性的研究32-38
• 2.1 研究背景32-33
• 2.2 光子晶体光纤的基本特性简介33-34
• 2.3 光子晶体光纤与普通单模光纤的熔接实验34-36
• 2.4 小结36-38
• 第3章 分布式光子晶体光纤压力传感器38-49
• 3.1 研究背景38-39
• 3.2 制作过程39-40
• 3.3 工作原理40-43
• 3.4 实验和讨论43-48
• 3.5 小结48-49
• 第4章 微小型光子晶体高温传感器及其在引信中的应用49-100
• 4.1 研究背景49-57
• 4.1.1 温度测量的研究背景49-50
• 4.1.2 引信桥丝温度测量的研究背景50-57
• 4.2 传感器的设计57-63
• 4.2.1 制作过程58-59
• 4.2.2 工作原理59-61
• 4.2.3 制作工艺61-63
• 4.3 解调方法63-72
• 4.3.1 基于功率探测的解调方法63-66
• 4.3.2 基于线阵 CCD 微型光谱仪的解调方法66-72
• 4.4 传感器的应用72-98
• 4.4.1 系统搭建72-74
• 4.4.2 温度标定实验74-79
• 4.4.3 桥丝温度测量试验79-88
• 4.4.4 电热箱测温实验88-90
• 4.4.5 电阻丝测温实验90-96
• 4.4.6 电烙铁温度对比96-98
• 4.5 小结98-100
• 第5章 基于光子晶体光纤的温度补偿型 MACH-ZEHNDER 干涉仪100-109
• 5.1 研究背景100-101
• 5.2 制作过程101
• 5.3 工作原理101-104
• 5.4 实验和讨论104-108
• 5.5 小结108-109
• 结论109-113
• 参考文献113-124
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单124-125
• 致谢125

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘庆明;白春华;;应用比色测温仪测量燃料空气炸药爆炸过程温度响应[J];兵工学报;2009年04期

2 程永生,李科杰;压电引信传感器设计与研究[J];北京理工大学学报;2005年09期

3 李秀丽;惠君明;;温压炸药的爆炸温度[J];爆炸与冲击;2008年05期

4 李朝晖,江小华,张河;基于磁阻式传感器的引信转数测量方法[J];传感器技术;2003年05期

5 崔平,齐杏林,王卫民;从外军引信装备研制情况看引信技术发展趋势[J];四川兵工学报;2005年04期

6 许来才;邓明;朱涛;饶云江;;光子晶体光纤F-P干涉式高温传感器研究[J];光电工程;2012年02期

7 姚培军,明海;光子晶体光纤[J];光电子技术与信息;2002年06期

8 关雅莉,龚岩栋,汤树成,江中澳,简水生;光子晶体光纤的研究和应用[J];光电子·激光;2001年03期

9 谈斌,陈晓伟,李世忱;全内反射光子晶体光纤[J];光电子·激光;2002年05期

10 王文杰,郭林,张宁,纪越峰;光子晶体光纤的研究进展及应用[J];光通信技术;2004年07期

本文编号：678910