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基于光子晶体光纤传感系统的研究

作 者: 徐斐
导 师: 彭保进
学 校: 浙江师范大学
专 业: 光学
关键词: 光子晶体光纤 光纤传感 马赫-曾德干涉 分布式传感
分类号: TP212
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


自1996年光子晶体光纤(PCF)问世以来,在过去的十几年里,光子晶体光纤在非线性光学、光电子学以及光通信等众多领域取得了令人瞩目的成就。光子晶体光纤理论分析和拉制方法不断改进,各种新型结构和特性的光子晶体光纤也不断涌现了出来,其中光子晶体光纤作为光纤光电子器件研究成为了焦点,尤其是基于光子晶体光纤的传感器件研究在国内外备受关注。本课题的研究内容主要来自于国家自然科学基金项目“基于高非线性光纤的新型光纤光学参量振荡器”(61007029),浙江省公益性应用研究项目“基于新型光纤的液压传感技术研究”(2011C21038)和“乳品厂牛奶成分快速监测与控制系统的开发”(2011C22051)中的内容。本文提出了一种基于双芯光子晶体光纤(DC-PCF)的干涉型传感器,在对该光子晶体光纤传感器的制作方法,传感原理以及光学特性等内容的研究基础上,重点进行了将该传感器应用到液压、应力以及分布式应力传感的实验研究上。主要研究内容如下:1)双芯光子晶体光纤传感器的制作。该传感器所用到的双芯光子晶体光纤是由我们光纤小组的老师和同学做了相关的设计和模拟工作,再与香港理工大学合作拉制出来的。在传感器制作方面,通过改变相应熔接参数,我们成功的将一段光子晶体光纤的两端与单模光纤熔接在了一起,在与宽带光源(ASE)和光谱仪(OSA)连接后,得到了传输损耗8~1OdB,消光比6~8dB的马赫曾德(M-Z)干涉谱图,为接下来的传感实验打好了基础。2)基于双芯光子晶体光纤传感器液压和应力实验研究。首先我们自行搭建了可调液压范围0~20MPa和微应力范围0~1500με的液压和微应力的传感实验系统,基于上述传感器形成的马赫曾德干涉,我们制作了干涉臂长度为2cm的双芯光子晶体光纤传感器,分别应用到液压和微应力的实验中,实验获得了干涉臂长度2cm时传感器微应力灵敏度为1.4pm/μs,液压灵敏度为-4lpm/MPa。为了研究干涉臂长度对传感器灵敏度的影响,我们对4cm的DC-PCF传感器进行了微应力实验,获得1.9pm/με的微应力灵敏度,得到随着干涉臂长度的增加传感器的应力灵敏度会增大的结论。3)基于双芯光子晶体光纤传感器分布式传感系统的设计。我们根据传感器所形成的M-Z干涉,提出了利用阵列波导光栅(AWG)波分复用的功能来实现分布式传感,由于AWG各个通道中心波长会随温度变化而漂移,其漂移量约为10~11pm/℃,干涉峰在0~15MPa的液压下波峰漂移量为0.6nm,所以我们将多个双芯光子晶体光纤传感器与AWG相应的通道连接,通过计算机对AWG进行30℃~90℃的温度扫描获得各传感器在不同液压条件下的干涉峰波长值。从而计算得到液压值,实现对液压的分布式传感。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
1. 绪论  9-18
  1.1 光子晶体光纤概述  9-13
    1.1.1 光子晶体光纤发展史  9-10
    1.1.2 光子晶体光纤的分类和特性  10-12
    1.1.3 光子晶体光纤的应用  12-13
  1.2 光纤传感技术概述  13-15
    1.2.1 光纤传感器的原理与分类  13-14
    1.2.2 光纤传感器的优势和特点  14-15
  1.3 光子晶体光纤传感研究进展  15-17
  1.4 本论文的主要内容  17-18
2. 基于光子晶体光纤的传感技术  18-29
  2.1 吸收型光子晶体光纤传感器  18-19
  2.2 荧光型光子晶体光纤传感器  19
  2.3 光子晶体光栅传感器  19-20
  2.4 干涉型光子晶体光纤传感器  20-29
    2.4.1 基于Sagnac环干涉的PCF传感器  21-22
      2.4.1.1 Sagnac基本原理  21
      2.4.1.2 Sagnac传感器介绍  21-22
    2.4.2 基于法布里-玻罗(F-P)干涉的PCF传感器  22-24
      2.4.2.1 法布里-玻罗基本原理  22-23
      2.4.2.2 法布里-玻罗传感器介绍  23-24
    2.4.3 基于马赫-曾德(M-Z)干涉的PCF传感器  24-29
      2.4.3.1 马赫-曾德干涉基本原理  24-27
      2.4.3.2 马赫-曾德干涉型传感器介绍  27-29
3. 双芯光子晶体光纤M-Z干涉型传感器的研究  29-43
  3.1 双芯光子晶体光纤传感器工作原理  29-31
  3.2 双芯光子晶体光纤传感器的制作  31-34
    3.2.1 光纤的选择  31
    3.2.2 传感器的具体制作  31-34
  3.3 基于双芯光子晶体光纤M-Z干涉仪传感特性的研究  34-43
    3.3.1 实验仪器介绍  34-36
    3.3.2 双芯光子晶体光纤M-Z干涉型传感器应力特性研究  36-39
    3.3.3 双芯光子晶体光纤M-Z干涉型传感器液压特性研究  39-43
4. 基于双芯光子晶体光纤分布式传感系统的研究  43-53
  4.1 双芯光子晶体光纤传感系统的信号解调与采集  43-48
    4.1.1 双芯光子晶体光纤干涉型传感器的解调  43-45
    4.1.2 双芯光子晶体光纤传感器信号的探测与采集  45-48
      4.1.2.1 光电探测器件的选择  45
      4.1.2.2 光电探测电路的设计  45-47
      4.1.2.3 数据采集  47-48
  4.2 分布式双芯光子晶体光纤传感系统的设计  48-50
  4.3 双芯光子晶体光纤分布式液压传感的实验研究  50-53
5. 总结与展望  53-55
参考文献  55-59
攻读硕士期间取得的研究成果  59
参与科学研究项目  59-60
致谢  60-62

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器(变换器)、传感器
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