基于纤芯失配模态干涉技术的光纤传感特性研究

论文摘要

长期以来人们为实现光纤传感器的实用化做了不懈的努力,在拓宽光纤传感器的应用领域和提高其测量灵敏度方面做了大量的研究,使各种光纤传感技术得到了长足的发展。其中基于纤芯失配模态干涉技术的光纤传感备受国内外学者重视。然而某些纤芯失配型的光纤传感结构复杂、传感头制作困难、传感器的灵敏度较低,通过对其传感结构进行改进可以提高测量的灵敏度。本课题正是基于这一基本思路而展开的。本论文提出了一种利用薄芯光纤模态干涉技术实现曲率测量和对该结构改进后实现折射率测量的方法。该方法以薄芯光纤为核心器件,将薄芯光纤嵌入到普通单模光纤中,通过模态干涉技术实现对曲率和折射率的测量。本文的主要工作包括两部分内容：一、基于纤芯失配模态干涉技术的微光纤曲率传感器。实验研究了0-3.2m-1范围内的曲率传感,将传感器的敏感部位固定在平移台中间位置进行实验,制成基于弯曲效应的传感器。同时,将参考光路也固定在和测量光路同一水平位置,用来消除环境对测量光路的影响。并验证了不同长度薄芯光纤对实验结果的影响。重点阐述了纤芯失配结构传感原理和相关理论。实验结果表明纤芯失配结构传感器在0-3.2m-’范围内具有很好的灵敏度,谷值对应的波长变化与曲率呈良好的线性关系。二、基于纤芯失配模态干涉技术的微光纤折射率传感器。研究了一种具有微结构缺陷折射率传感器,并对其折射率特性进行了分析测试。实验时将传感器的敏感部位固定在器皿中,然后用氢氟酸腐蚀其包层,同时通过显微镜观察腐蚀包层的速率,根据实际需要选择不同包层厚度,并利用不同浓度的蔗糖溶液进行折射率传感实验。结果表明可以通过氢氟酸溶液腐蚀敏感部位的包层使其直径减小的方法来提高对外界折射率传感的灵敏度。腐蚀前后传感器测量的灵敏度系数分别为142.295nm/R.I.U和182.328nm/R.I.U,线性拟合度分别为0.9855和0.9681,干涉峰波长随外界折射率变化呈现良好的线性关系。上述传感器具有结构简单、尺寸小、性能稳定、分辨率高等特点,具有良好的发展前景与实际应用价值。采用腐蚀工艺减小包层厚度,具有工艺简单、制作成本低等优点,同时也大大提高了传感器的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 光纤传感器原理及分类
• 1.2.1 光纤传感器的原理
• 1.2.2 光纤传感器的分类
• 1.3 模态干涉型光波导器件研究进展
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 2 光纤法布里-珀罗传感器基本原理
• 2.1 光学法布里-珀罗干涉仪工作原理
• 2.2 光纤法布里-珀罗传感器的结构
• 2.2.1 光纤本征型法布里-珀罗传感器（IFPI）
• 2.2.2 光纤非本征型珐珀传感器（EFPI）
• 2.3 光纤法布里-珀罗传感器的信号解调
• 2.3.1 光强解调
• 2.3.2 相位解调
• 2.3.3 相位生成载波解调
• 2.4 光纤法布里-珀罗传感器的复用方法
• 2.4.1 相干复用技术
• 2.4.2 波分复用技术
• 2.4.3 时分复用技术
• 2.4.4 频分复用技术
• 2.5 本章小结
• 3 基于薄芯光纤模态干涉技术的曲率光纤传感器
• 3.1 引言
• 3.2 传感器模型和性能分析
• 3.2.1 传感器结构和原理
• 3.2.2 具有特征波长薄芯光纤曲率传感器的选择
• 3.3 曲率传感器的制作和实验
• 3.3.1 传感器制作
• 3.3.2 实验装置
• 3.3.3 曲率传感实验
• 3.4 本章小结
• 4 基于薄芯光纤模态干涉技术的折射率传感特性的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 传感器结构和原理
• 4.3 折射率传感器的制备工艺和实验
• 4.3.1 折射率传感器的制备工艺
• 4.3.2 不同折射率液体的制备
• 4.3.3 传感器的折射率传感实验
• 4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢