基于干涉原理和光纖布拉格光柵的復合參數(shù)光纖傳感器.pdf

1、傳感技術是信息時代人類感知世界的“觸角”。光纖傳感技術已成為傳感技術的重要分支，具有本質安全、抗電磁干擾能力強、適用于遠程監(jiān)測等優(yōu)點，備受學術界和工業(yè)界重視。研究光纖傳感技術的核心內容在于設計不同結構的光纖傳感器件以探求該傳感結構對外界環(huán)境參量變化的響應。近年來，光纖傳感器的發(fā)展呈現(xiàn)出微型化、多參數(shù)、實時化、高精度以及網絡化等發(fā)展趨勢。本論文緊貼光纖傳感技術發(fā)展需求，以復合參數(shù)光纖傳感器為切入點，重點研究了光纖一體化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，主要進行如下幾方面的研究:
　　 1.小芯徑單模光纖MZI型復合參數(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，在此基礎上設計了一種傳感技術實現(xiàn)方案，可實現(xiàn)溫度和應變的同時測量:
　　 1)合理選擇兩種不同類型小芯徑單模光纖的長度和熔接參數(shù)，采用普通商用光纖熔接

3、機將其與普通單模光纖錯位熔接制成一種新穎的復合參數(shù)光纖傳感器。該傳感結構的制備過程僅需要光纖熔接操作，實現(xiàn)過程簡單、可靠。
　　 2)利用所提出的復合參數(shù)傳感器，進行溫度和應變的同時測量，實驗驗證了傳感器對溫度和應變的同時測量性能。詳細分析了影響傳感器測量分辨率和造成測量誤差的主要因素。
　　 2.基于光纖InlineMZI的靈敏度增強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錯位熔接制成一體化

4、的InlineMZI，將其應用于液體折射率傳感，重點研究了提高測量靈敏度的方法。具體工作如下:
　　 1)利用InlineMZI中包層模的有效折射率對外界環(huán)境敏感的特性，將其應用于液體折射率傳感，通過實驗驗證了傳感器的傳感性能。相比同類型的傳感器，該傳感方案具有靈敏度高、操作性強以及測量方法簡單等優(yōu)點。
　　 2)重點分析了傳感器的測量增敏方法。研究了傳感器長度對傳感靈敏度的影響，提出利用電極放電對光纖進行拉錐處理的方法

5、，以達到提高折射率測量靈敏度的目的。實驗結果證實了該方法簡單有效，可在不增加傳感器長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、結構簡單以及對輸入光的偏振態(tài)不敏感等優(yōu)點。該項研究具體設計并實驗演示了兩種可同時實現(xiàn)環(huán)境溫度和應變測量的雙參數(shù)傳感器:
　　 1)摻鉺光纖和高雙折射Sagnac干涉環(huán)結合的復合參

6、數(shù)光纖傳感器。利用摻鉺光纖的放大自發(fā)輻射光譜對溫度敏感的特性，結合高雙折射Sagnac干涉環(huán)來進行溫度與應變同時測量。采用1480nm波長光源作為泵浦光源，通過檢測干涉環(huán)透射光譜干涉峰的強度變化和中心波長漂移可以實現(xiàn)對溫度和應變的同時測量。該方案中摻鉺光纖不僅作為增益介質，而且承擔了溫度補償模塊的作用，同時省去了額外的寬帶光源，進而可以大大簡化傳感系統(tǒng)設計。
　　 2)高雙折射Sagnac干涉環(huán)并聯(lián)型復合參數(shù)傳感器。利用液晶波長

7、選擇開關將兩不同參數(shù)的高雙折射Sagnac環(huán)并聯(lián)起來，同時實現(xiàn)對環(huán)境溫度和應變的測量。液晶波長選擇開關可以將輸入寬帶光信號分配給兩環(huán)，并根據(jù)實際測量的需要動態(tài)調整，增強了傳感器設計的靈活性。
　　 4.溫度及應變無關的FBG型液體折射率傳感器
　　 對大部分應用而言，研究多參數(shù)效應是為了更好地實現(xiàn)對單一參數(shù)的測量。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)，結合FBG制成反射型液體折射率傳感器。該傳感器具有對溫度和

8、應變的補償能力，可實現(xiàn)溫度和應變無關的液體折射率測量，而且具有體積小、結構簡單以及成本低等優(yōu)點。該研究主要涉及下面兩個方面:
　　 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耦合進光纖包層形成包層模信號。經FBG反射回來的包層模信號被錐區(qū)重新耦合進纖芯。通過檢測反射的包層模波長漂移實現(xiàn)對液體折射率的測量。
　　 2)重點研究了該傳感器的溫度和應變補償功能。實驗結果表明，包層模和纖芯模信號的諧振波長具有幾乎相