基于少模光纖和LPG的曲率傳感和低頻聲波應用研究.pdf

1、光纖傳感器作為一種新型的傳感器，以其靈敏度高、抗電磁干擾、抗腐蝕、體積小、重量輕、可進行分布式測量等優(yōu)點受到了廣泛研究，其中光纖曲率和聲波傳感器在橋梁和建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、地震預警監(jiān)測等領域，具有潛在的應用前景。本論文結(jié)合國家自然科學基金重大項目，針對基于少模光纖和長周期光柵(Long-period fiber grating，LPG)的曲率和聲波傳感的相關技術進行理論分析和實驗驗證。主要研究內(nèi)容和成果包括：
　　(1)本論文設計

2、了基于單模-少模-單模光纖的偏移熔接結(jié)構(gòu)進行曲率測量，深入研究了基于少模光纖的曲率傳感原理，并采用干涉光譜的對比度變化來解調(diào)曲率，進而可以實時監(jiān)控曲率變化。優(yōu)化設計了偏移熔接量和少模光纖長度，分析了偏移熔接結(jié)構(gòu)中的模式干涉及彎曲傳感的原理。在0.5-16m-1曲率變化范圍內(nèi)進行實驗，其中在11-16 m-1內(nèi)獲得了較好的線性變化，靈敏度為0.107/m-1，解決了目前曲率傳感器測量范圍小和不能實時監(jiān)控的問題。
　　(2) LPG對

3、彎曲十分敏感，設計了基于少模光纖偏移熔接結(jié)構(gòu)和LPG級聯(lián)進行曲率測量。依據(jù)單個LPG對聲波響應的原理，對級聯(lián)結(jié)構(gòu)的低頻聲波傳感特性進行了研究。分析了強度解調(diào)的原理，提出了采用光強變化來解調(diào)曲率和聲波。采用瓊斯矩陣，對少模光纖偏移熔接結(jié)構(gòu)和LPG級聯(lián)的光譜特性進行了理論模擬。實驗中，在0.124m-1-0.304m-1的曲率范圍內(nèi)，LPG透射峰的光功率變化呈線性，靈敏度約為93.01dB/m-1，靈敏度比同類傳感器高出一個數(shù)量級；并且在曲

4、率一定時，對頻率為110-230Hz的低頻聲波有著較高的響應靈敏度，110Hz的聲波響應靈敏度最高，約為15mV/Pa，其他頻率約為4.5mV/Pa。
　　(3)在直通級聯(lián)的結(jié)構(gòu)上進行了改進，設計了嵌有少模光纖偏移熔接結(jié)構(gòu)和 LPG的Sagnac環(huán)，對其曲率和低頻聲波的傳感特性進行了研究。采用瓊斯矩陣，對基于少模光纖偏移熔接結(jié)構(gòu)和LPG的Sagnac環(huán)的光譜特性進行了理論模擬。同樣，在實驗過程中，采用光強變化解調(diào)曲率和聲波，結(jié)果表

5、明，當曲率由0.119m-1變化到0.349m-1時，1552nm波長處干涉峰的光功率由-70.255dB變化到-59.712dB，擬合實驗數(shù)據(jù)，得到較高的曲率靈敏度，為45.84dB/m-1。在曲率接近0時，即LPG幾乎沒有彎曲，對頻率為110Hz的低頻聲波有著較高的響應靈敏度，約為70mV/Pa，其他頻率的響應靈敏度約為35mV/Pa。另外，該傳感器對聲波響應的靈敏度是可調(diào)的，隨著輸入光源光功率的增加而變大，并且，解決了直通級聯(lián)結(jié)構(gòu)