DC-PCF激光多普勒技術及其在微多相流中的應用研究.pdf

1、雙芯光子晶體光纖(Dual-core Photonic Crystal Fiber, DC-PCF)是近年來發(fā)展起來的一種新型全內(nèi)反射型光子晶體光纖，由于具有雙折射性高、非線性好、單模傳輸?shù)泉毺匦再|(zhì)，已廣泛應用于曲率、溫度、壓力、扭矩和速度傳感等領域。本論文利用DC-PCF的相干特性，將其應用到激光多普勒系統(tǒng)中，開發(fā)出一種新型的光纖激光多普勒測速系統(tǒng)。由于DC-PCF具有兩個傳輸纖芯共享一個包層的結構，因此可大大簡化系統(tǒng)復雜度，減少光路

2、調(diào)節(jié)。而且速度測試探頭進一步微型化，易于嵌入MEMS系統(tǒng)，可實現(xiàn)微/納米流體的速度測量。
　　針對DC-PCF激光多普勒測速系統(tǒng)的設計及開發(fā)，本文對以下幾個方面進行了研究：
　　（1）DC-PCF的傳輸和相干特性。實驗研究了DC-PCF的光斑輸出特性和相干特性，結果表明光纖出射兩個獨立的光斑，光斑強度近似成高斯分布，兩個光斑的強度之比約為1:1。在距離光纖端面約30m后，兩獨立光斑相互疊加后形成清晰的5條干涉條紋，隨著與光纖

3、端面的距離的增加，干涉條紋的間距逐漸增大。在距離2.0 cm處，±2級亮條紋與0級、1級亮條紋的強度之比分別為1:3.4和1:2.4。而計算結果表明±2級亮條紋和0級、1級亮條紋的強度之比分別為1:4.5和1:3.5?？梢姡瑢嶒灲Y果比理論計算結果強度比小，主要是由于實驗過程中噪聲引入所致。
　?。?）DC-PCF探頭加工和系統(tǒng)搭建。采用高壓放電技術對光纖端面進行熔融處理，制作微透鏡，可優(yōu)化雙芯光子晶體光纖形成的控制體結構，也可用于

4、提高光纖接收光散射信號。設計并制作多粒子發(fā)射系統(tǒng)，分析粒子光散射特性，確定粒子散射信號接收方式，搭建和完善了基于雙芯光子晶體光纖的激光多普勒速度測試系統(tǒng)。
　　（3）基于DC-PCF激光多普勒的速度測試。分析基于DC-PCF的激光多普勒單點和多點速度測量原理，確定前向散射接收方式，并進行單點、兩點和三點速度測試。單點測量時，粒子平均速度為0.980 m/s，相對不確定度為0.5％；兩點測量時，粒子平均速度分別為1.761、1.76

5、9 m/s；三點測量時，粒子平均速度分別為2.106、2.084、2.097 m/s。實驗結果表明，基于DC-PCF的激光多普勒速度儀可進行多點速度測量。
　?。?）基于DC-PCF的激光多普勒速度儀嵌入MEMS的速度測量。設計、加工微系統(tǒng)裝置，并嵌入DC-PCF。通過選擇跟隨性良好的粒子，應用多普勒速度測量技術對流體的速度進行測量，獲得流體的速度為0.113m/s。驗證結果表明基于DC-PCF的激光多普勒技術可以應用于MEMS，