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基于多模干涉和F-P干涉的光纤传感器实验研究

作　者: 陈松
导　师: 杨秀峰
学　校: 天津理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 光纤干涉型传感器光纤F-P干涉仪多模干涉温度应变折射率同时测量
分类号: TP212.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在高度信息化的当代社会，用于获取信息的传感器，得到了人们极大地关注。光纤传感技术是一种新型传感器技术，以其稳定性好、免电磁干扰、便于远程测量等优势，自诞生之日起，就受到了各国研究者的重视，广泛应用于国防军事、能源环保、生物医学、航空航天等领域。作为其中的一种，光纤干涉型传感器由于采用干涉测量技术对相位调制进行解调而具有极高的分辨率和检测灵敏度，被广泛应用于各种参量的传感测量，具有广阔的发展前景。本文着重对多模干涉型和F-P干涉型这两类光纤干涉型传感器进行了理论与实验研究。主要内容如下：1.简单介绍了光纤传感器的基本原理和分类，对四类干涉型传感器作了详细论述，总结了多模干涉型光纤传感器和F-P干涉型光纤传感器的研究现状，最后分析了干涉型传感器在实际应用中存在的问题。2.详细论述了光纤相位调制机理。描述了基于多模干涉效应的单模-多模-单模(SMS)结构的干涉模式和光纤F-P干涉型传感器的多光束干涉原理，并分别利用BPM软件和Matlab软件对其进行了仿真研究，为后续研究提供了理论基础。3.利用芯径分别为50μm和60μm的同长度多模光纤研制出SMS与FBG级联传感器，并对该结构中的多模光纤进行腐蚀，从实验上对两种传感器的温度和折射率传感特性进行了对比研究。实验结果表明，对于同一多模光纤，腐蚀后SMS结构的温度灵敏度基本不变，折射率灵敏度大大提高。腐蚀后，芯径50μm和60μm的SMS结构温度灵敏度分别为0.095nm/℃和0.127nm/℃；折射率灵敏度分别为61.96nm/RIU和128.11nm/RIU，说明腐蚀后，大芯径多模光纤SMS结构的折射率和温度灵敏度都有所提高。特别值得一提的，腐蚀后60μm的SMS结构的折射率灵敏度提高到50μm的SMS结构的两倍。SMS与FBG的级联可实现温度和折射率的同时测量。4.采用腐蚀法制作新型光纤F-P传感探头，详细讨论了制作工艺(包括多模光纤端面的腐蚀工艺、单模光纤与腐蚀过的多模光纤的熔接工艺)，在大量实验总结的优化工艺指导下，制作了一个新型光纤F-P传感探头，结构为单模-空气谐振腔-多模，分析了其传感原理，并对其传感特性进行了实验研究。实验结果显示，该传感器对温度变化不敏感，对应变的灵敏度为0.0058nm/με。因此，该传感器可以用来测量应变，并且能解决温度的交叉敏感问题。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-19
  1.1 光纤传感技术概述  10-11
    1.1.1 光纤传感器的基本原理  10-11
    1.1.2 光纤传感器的分类  11
  1.2 干涉型光纤传感器  11-17
    1.2.1 多模干涉型光纤传感器及其研究现状  12-13
    1.2.2 光纤 F-P 干涉型传感器及其研究现状  13-16
    1.2.3 Mach-Zehnder(M-Z)干涉型光纤传感器  16
    1.2.4 Sagnac 干涉型光纤传感器  16-17
  1.3 干涉型传感器在实际应用中存在的问题  17-18
  1.4 本论文的主要研究内容  18
  1.5 本论文的主要创新点  18-19
第二章光纤干涉型传感器基本理论  19-29
  2.1 光纤相位调制机理  19-21
    2.1.1 温度效应  19
    2.1.2 应力应变效应  19-21
  2.2 SMS 结构干涉模式的基本理论  21-25
    2.2.1 光纤的模式  21-22
    2.2.2 导模传播法分析模型  22-23
    2.2.3 导模传播近似分析法  23-24
    2.2.4 SMS 结构的波长特性  24
    2.2.5 光场的相位共轭  24-25
  2.3 光纤 F-P 干涉型传感器的基本理论  25-28
    2.3.1 多光束干涉原理  25-27
    2.3.2 仿真研究  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章基于高阶模干涉的双参量同时测量传感器的实验研究  29-38
  3.1 SMS 结构的传感原理  29-31
    3.1.1 多模光纤中的高阶模干涉效应  29-30
    3.1.2 SMS 结构干涉模场的模拟仿真  30-31
  3.2 FBG 传感原理  31-33
    3.2.1 温度传感原理  32
    3.2.2 应变传感原理  32-33
  3.3 实验装置及传感工作原理  33-34
  3.4 实验结果及分析  34-37
  3.5 本章小结  37-38
第四章基于光纤 F-P 结构的干涉型传感器的实验研究  38-46
  4.1 新型光纤 F-P 干涉型传感器的结构与传感原理  38-39
  4.2 新型光纤 F-P 传感探头的制作工艺  39-41
    4.2.1 多模光纤端面的腐蚀工艺  39-40
    4.2.2 光纤 F-P 传感探头的制备  40-41
  4.3 新型光纤 F-P 干涉型传感器传感特性的实验研究  41-44
    4.3.1 温度传感特性  42-43
    4.3.2 应变传感特性  43-44
  4.4 本章小结  44-46
第五章总结与展望  46-47
参考文献  47-52
发表论文和科研情况  52-53
致谢  53-54

基于多模干涉和F-P干涉的光纤传感器实验研究

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