基于干涉原理和光纖布拉格光柵的復(fù)合參數(shù)光纖傳感器.pdf

1、傳感技術(shù)是信息時(shí)代人類(lèi)感知世界的“觸角”。光纖傳感技術(shù)已成為傳感技術(shù)的重要分支，具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾能力強(qiáng)、適用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界重視。研究光纖傳感技術(shù)的核心內(nèi)容在于設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的光纖傳感器件以探求該傳感結(jié)構(gòu)對(duì)外界環(huán)境參量變化的響應(yīng)。近年來(lái)，光纖傳感器的發(fā)展呈現(xiàn)出微型化、多參數(shù)、實(shí)時(shí)化、高精度以及網(wǎng)絡(luò)化等發(fā)展趨勢(shì)。本論文緊貼光纖傳感技術(shù)發(fā)展需求，以復(fù)合參數(shù)光纖傳感器為切入點(diǎn)，重點(diǎn)研究了光纖一體化Mach-Zende

2、r干涉儀(MZI)、高雙折射光纖Sagnac干涉環(huán)和光纖布拉格光柵(FBG)的包層模耦合型等光纖傳感技術(shù)，主要進(jìn)行如下幾方面的研究:
　　 1.小芯徑單模光纖MZI型復(fù)合參數(shù)光纖傳感器
　　 本文利用小芯徑單模光纖與普通單模光纖制備出一體化的光纖InlineMZI，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，可實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量:
　　 1)合理選擇兩種不同類(lèi)型小芯徑單模光纖的長(zhǎng)度和熔接參數(shù)，采用普通商用光纖熔接

3、機(jī)將其與普通單模光纖錯(cuò)位熔接制成一種新穎的復(fù)合參數(shù)光纖傳感器。該傳感結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程僅需要光纖熔接操作，實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、可靠。
　　 2)利用所提出的復(fù)合參數(shù)傳感器，進(jìn)行溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器對(duì)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量性能。詳細(xì)分析了影響傳感器測(cè)量分辨率和造成測(cè)量誤差的主要因素。
　　 2.基于光纖InlineMZI的靈敏度增強(qiáng)型液體折射率傳感器
　　 利用小芯徑單模光纖和普通單模光纖經(jīng)錯(cuò)位熔接制成一體化

4、的InlineMZI，將其應(yīng)用于液體折射率傳感，重點(diǎn)研究了提高測(cè)量靈敏度的方法。具體工作如下:
　　 1)利用InlineMZI中包層模的有效折射率對(duì)外界環(huán)境敏感的特性，將其應(yīng)用于液體折射率傳感，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的傳感性能。相比同類(lèi)型的傳感器，該傳感方案具有靈敏度高、操作性強(qiáng)以及測(cè)量方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
　　 2)重點(diǎn)分析了傳感器的測(cè)量增敏方法。研究了傳感器長(zhǎng)度對(duì)傳感靈敏度的影響，提出利用電極放電對(duì)光纖進(jìn)行拉錐處理的方法

5、，以達(dá)到提高折射率測(cè)量靈敏度的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方法簡(jiǎn)單有效，可在不增加傳感器長(zhǎng)度的前提下有效提高液體折射率靈敏度。
　　 3.高雙折射光纖Sagnac干涉環(huán)復(fù)合參數(shù)傳感器
　　 高雙折射光纖Sagnac干涉環(huán)傳感器具有傳感靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及對(duì)輸入光的偏振態(tài)不敏感等優(yōu)點(diǎn)。該項(xiàng)研究具體設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)演示了兩種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度和應(yīng)變測(cè)量的雙參數(shù)傳感器:
　　 1)摻鉺光纖和高雙折射Sagnac干涉環(huán)結(jié)合的復(fù)合參

6、數(shù)光纖傳感器。利用摻鉺光纖的放大自發(fā)輻射光譜對(duì)溫度敏感的特性，結(jié)合高雙折射Sagnac干涉環(huán)來(lái)進(jìn)行溫度與應(yīng)變同時(shí)測(cè)量。采用1480nm波長(zhǎng)光源作為泵浦光源，通過(guò)檢測(cè)干涉環(huán)透射光譜干涉峰的強(qiáng)度變化和中心波長(zhǎng)漂移可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。該方案中摻鉺光纖不僅作為增益介質(zhì)，而且承擔(dān)了溫度補(bǔ)償模塊的作用，同時(shí)省去了額外的寬帶光源，進(jìn)而可以大大簡(jiǎn)化傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
　　 2)高雙折射Sagnac干涉環(huán)并聯(lián)型復(fù)合參數(shù)傳感器。利用液晶波長(zhǎng)

7、選擇開(kāi)關(guān)將兩不同參數(shù)的高雙折射Sagnac環(huán)并聯(lián)起來(lái)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度和應(yīng)變的測(cè)量。液晶波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)可以將輸入寬帶光信號(hào)分配給兩環(huán)，并根據(jù)實(shí)際測(cè)量的需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整，增強(qiáng)了傳感器設(shè)計(jì)的靈活性。
　　 4.溫度及應(yīng)變無(wú)關(guān)的FBG型液體折射率傳感器
　　 對(duì)大部分應(yīng)用而言，研究多參數(shù)效應(yīng)是為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)單一參數(shù)的測(cè)量。本工作利用電極放電的方法在光纖上制備出陡峭的錐區(qū)，結(jié)合FBG制成反射型液體折射率傳感器。該傳感器具有對(duì)溫度和

8、應(yīng)變的補(bǔ)償能力，可實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變無(wú)關(guān)的液體折射率測(cè)量，而且具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。該研究主要涉及下面兩個(gè)方面:
　　 1)所制備的非隔熱型錐區(qū)可以將光纖纖芯中傳播的部分光信號(hào)耦合進(jìn)光纖包層形成包層模信號(hào)。經(jīng)FBG反射回來(lái)的包層模信號(hào)被錐區(qū)重新耦合進(jìn)纖芯。通過(guò)檢測(cè)反射的包層模波長(zhǎng)漂移實(shí)現(xiàn)對(duì)液體折射率的測(cè)量。
　　 2)重點(diǎn)研究了該傳感器的溫度和應(yīng)變補(bǔ)償功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，包層模和纖芯模信號(hào)的諧振波長(zhǎng)具有幾乎相