新型光纖模式干涉儀傳感特性及復(fù)合參數(shù)測(cè)量的研究.pdf

1、光纖傳感器是以光波為載體，光纖為媒質(zhì)的新型傳感器。相對(duì)于傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器，光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、化學(xué)工業(yè)、石油存儲(chǔ)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，近年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。光纖模式干涉儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、易于復(fù)合參數(shù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，是光纖傳感技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。本論文主要對(duì)新型光纖模式干涉儀的傳感特性進(jìn)行研究，主要研究對(duì)象為無(wú)芯光纖模式干涉儀、多芯光纖模式干涉儀、多模-多芯-多模光纖模

2、式干涉儀，詳細(xì)研究了新型光纖模式干涉儀的光譜特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了干涉儀應(yīng)用不同物理參量的測(cè)量。重點(diǎn)研究了新型光纖模式干涉儀不同參數(shù)交叉敏感問(wèn)題，利用光纖光柵傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)新穎的光纖復(fù)合參數(shù)傳感器，分析了復(fù)合參數(shù)傳感器的測(cè)量原理和分辨率。利用新型光纖模式干涉儀的傳感和濾波特性，實(shí)現(xiàn)了多種類型的光纖激光傳感器，主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)實(shí)驗(yàn)制作了無(wú)芯光纖模式干涉儀，該干涉儀由一段無(wú)芯光纖熔接于兩段單模光纖之間構(gòu)成

3、，實(shí)驗(yàn)研究了其應(yīng)變、折射率的傳感特性;利用無(wú)芯光纖模式干涉儀的折射率敏感特性，將無(wú)芯光纖模式干涉儀固定于U型鋼尺上實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)芯光纖模式干涉儀的液位傳感器;利用無(wú)芯光纖的彎曲敏感特性，將無(wú)芯光纖固定于鋁線上，實(shí)現(xiàn)了基于安培力和無(wú)芯光纖模式干涉儀的電流傳感器。該類型干涉儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
　　(2)提出了一種多芯光纖模式干涉儀，該干涉儀由一段多芯光纖熔接于兩段單模光纖之間構(gòu)成;該干涉儀具有較好的光譜特性，透射譜最大消

4、光比達(dá)到了23dB;重點(diǎn)研究了該干涉儀的光譜特性和傳感特性，將干涉儀分別應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、折射率、曲率等待測(cè)參數(shù)的測(cè)量，干涉儀對(duì)以上待測(cè)參數(shù)展示了較好的線性特性。提出了一種多模-多芯-多模光纖模式干涉儀，其中多芯光纖兩端的多模光纖分別作為模式的分束器和合束器;通過(guò)和多芯光纖模式干涉儀的對(duì)比可以看到由于多模光纖的接入，干涉儀的光譜特性得到了優(yōu)化，而光譜的損耗并沒(méi)有增加;對(duì)該干涉儀的傳感特性進(jìn)行了研究，將干涉儀分別應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、折射率等

5、參數(shù)的測(cè)量。該類型干涉儀具有高消光比、制作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
　　(3)提出一個(gè)基于非對(duì)稱單模光纖模式干涉儀的液位傳感器，非對(duì)稱光纖模式干涉儀由細(xì)錐和偏芯熔接結(jié)構(gòu)構(gòu)成，同時(shí)利用光纖布拉格光柵(FBG)的溫度敏感特性，對(duì)該液位傳感器進(jìn)行了溫度補(bǔ)償;當(dāng)波長(zhǎng)的分辨率為10pm，可以得到該傳感器的液位和溫度分辨率分別為0.15cm和1.01℃，該傳感器制作采用單模光纖，具有制作成本低、操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
　　(4)利用無(wú)芯光纖模式干涉儀和F

6、BG的復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)變和溫度傳感器，當(dāng)應(yīng)變和溫度變化時(shí)，透射譜損耗峰和FBG的波長(zhǎng)都會(huì)發(fā)生漂移，同時(shí)透射譜損耗峰和FBG對(duì)應(yīng)變和溫度的靈敏度不同，通過(guò)測(cè)量透射譜損耗峰和FBG的波長(zhǎng)漂移可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的同時(shí)測(cè)量，當(dāng)波長(zhǎng)的分辨率為10pm時(shí)，該傳感器的應(yīng)變和溫度分辨率分別為8.4με和0.78℃。該傳感器具有分辨率高、制作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，在雙參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域具有較大吸引力。
　　(5)利用無(wú)芯光纖沒(méi)有包層對(duì)折射率敏感特性，提出了一個(gè)

7、基于無(wú)芯光纖和磁流體的磁場(chǎng)傳感器。將無(wú)芯光纖模式干涉儀封裝于毛細(xì)玻璃管內(nèi)，毛細(xì)玻璃管內(nèi)注入磁流體，并采用環(huán)氧樹脂膠密封，當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度變化時(shí)，無(wú)芯光纖的透射譜將會(huì)發(fā)生漂移，同時(shí)在無(wú)芯光纖模式干涉儀輸出單模光纖寫制FBG，利用FBG的溫度傳感特性，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中的溫度補(bǔ)償，當(dāng)傳感器工作于線性范圍，且波長(zhǎng)的最小分辨率為10pm時(shí)，可以得到該傳感器的磁場(chǎng)和溫度分辨率分別為1.09mT和0.84℃。該磁場(chǎng)傳感器具有靈敏度高、溫度補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，

8、在磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
　　(6)利用多芯光纖模式干涉儀和FBG復(fù)合結(jié)構(gòu)，在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，利用透射譜的兩個(gè)損耗峰和FBG波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了折射率、應(yīng)變和溫度的多參數(shù)測(cè)量，當(dāng)波長(zhǎng)分辨率為10pm時(shí)，該傳感器的折射率、應(yīng)變和溫度分辨率分別為0.0004RIU、11.06με和0.17℃。同時(shí)該傳感器可以應(yīng)用于液位、應(yīng)變和溫度的多參數(shù)測(cè)量，當(dāng)波長(zhǎng)分辨率為10pm時(shí)，該傳感器的液位、應(yīng)變和溫度分辨率分別為0.034cm、11.35με

9、和0.19℃。相對(duì)于已有的光纖三參數(shù)傳感器，該傳感器具有消光比高、信息處理簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
　　(7)根據(jù)無(wú)芯光纖模式干涉儀、多芯光纖模式干涉儀的傳感特性，將無(wú)芯光纖模式干涉儀、多芯光纖模式干涉儀，分別作為濾波器應(yīng)用于光纖環(huán)形腔激光器中，實(shí)現(xiàn)了光纖激光傳感器;當(dāng)待測(cè)參量變化引起光纖模式干涉儀的透射譜發(fā)生漂移時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致激光輸出波長(zhǎng)的變化，因此可以通過(guò)測(cè)量激光輸出波長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)多種待測(cè)參量的測(cè)量。光纖激光傳感器不僅具有光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，