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新型光纤传感器的加工与应用研究

作　者: 徐乐
导　师: 姜澜
学　校: 北京理工大学
专　业: 机械制造及自动化
关键词: 光纤干涉仪马赫-泽德干涉仪迈克尔逊干涉仪高温光纤传感器飞秒激光光纤传感系统
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

光纤传感器件在传感应用上有着独特的优势，光纤传感器正向着高灵敏度，高集成化，网络化方向发展，这也标志着光纤传感器以及其配套系统的日趋成熟，本论文主要探究了光纤传感器的制作以及光纤传感系统的搭建。在这两方面的工作和创新点如下：（1）提出了一种飞秒激光加工非平行壁光纤微腔MZI光纤传感器的改进方法，将功能型传感器改为非功能型，大大降低了制作传感器的时间成本和金钱成本，并通过理论模型分析以及实验结果证明了该方法的正确性。改变了该传感器虽然灵敏度高但是成本高、成品率低的现状，为该类型产业化生产提出了可行方案。（2）提出了一种复合型全光纤马赫-泽德干涉仪传感器的制作方法：通过熔锥机放电在纤芯形成不对称的衰减器结构，在两个衰减器形成的MZI传感器干涉部分进行拉锥，当拉锥长度达到4500μm时将会得到最大衰减峰为~28dB的复合型全光纤马赫-泽德干涉仪传感器。该传感器具有非常低的折射率灵敏度和非常低的应变灵敏度，但是具有较高的温度灵敏度，利用马弗炉和波长可调谐激光器标定后得到：在温度范围为14℃-250℃和250℃-1000℃时的温度灵敏度分别为：34.95pm/℃和106.7pm/℃。（3）提出了一种利用单模光纤制作的新型全光纤迈克尔逊干涉仪（FTMI）高灵敏度高温传感器的加工方法。该传感器通过简单的拉锥和放电熔接而成。该传感器非常适合高温测量，他从结构上屏蔽了传感器对折射率的敏感度。利用马弗炉和波长可调谐激光器标定后得到：在高温区间500°C–800°C范围，该传感器的温度灵敏度为118.6pm∕°C。但是对于折射率而言，当折射率从1.333变化到1.3902时最大衰减峰的漂移量仅有-0.335nm。这是一种非常适合于工业生产的高温高灵敏度光纤传感器。（4）制作了基于布拉格光栅的温度、震动、踩踏式光纤传感器，这些传感器通过外部封装以达到高灵敏度的目的，并且通过温度传感器对系统内所有传感元件进行温度补偿，以消除温度对振动和踩踏传感器的影响，并应用此类传感器搭建了一种以光纤传感器为探测部件的防护报警系统，并且系统中融合高频声音报警器以及视频联动系统，通过光纤传感器准确定位后高频警告和高清视频抓拍同时进行，提高了系统对于周界警报的安全性。搭建了另外一种光纤传感器与传统传感器相结合的多维度液体监测联调演示系统，该系统集成了光纤传感器与传统光电传感器，且系统采用网线IP协议和通用的485传输协议，方便任何传感器的集成化使用。该系统可以取代原始的取样化验方法，可以通过总控台的显示界面直接读出液体相关参数的变化曲线，解决了液灌内液体不能被实时监测的难题。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-22
  1.1 引言  10-11
  1.2 光纤传感器的分类  11-17
    1.2.1 光纤光栅传感器  11-12
    1.2.2 谐振式光纤传感器  12-14
    1.2.3 干涉式光纤传感器  14-17
  1.3 飞秒激光微加工在光纤传感器中的应用  17-20
  1.4 研究意义及研究内容  20-21
  1.5 本论文项目来源  21-22
第二章飞秒激光加工非平行壁光纤微腔 MZI 光纤传感器  22-38
  2.1 激光加工内在机理  22-23
  2.2 飞秒激光加工系统  23-24
  2.3 光纤可调谐激光器  24-28
  2.4 飞秒激光加工 MZI 光纤传感器  28-33
  2.5 理论模拟  33-36
  2.6 本章小结  36-38
第三章复合型全光纤马赫-泽德干涉仪传感器  38-60
  3.1 马赫-泽德光纤干涉仪的检测机理  38-42
    3.1.1 折射率检测  40-41
    3.1.2 温度传感机理  41-42
  3.2 复合型光纤 MZI 传感器的制作  42-51
    3.2.1 光纤熔接机  43-44
    3.2.2 拉锥机  44-46
    3.2.3 复合型全光纤马赫-泽德干涉仪传感器的制备  46-51
  3.3 复合型全光纤马赫-泽德干涉仪的灵敏度测试  51-58
    3.3.1 折射率测量  51-52
    3.3.2 应变测试  52-54
    3.3.3 温度测试  54-58
  3.4 本章小结  58-60
第四章全光纤迈克尔逊干涉仪（FTMI）高灵敏度高温传感器  60-76
  4.1 全光纤迈克尔逊干涉仪工作原理  60-61
  4.2 全光纤迈克尔逊干涉仪的制作  61-63
  4.3 参数选择  63-67
    4.3.1 自由光谱范围选择  63-65
    4.3.2 锥角选择  65-67
  4.4 灵敏度测量  67-74
    4.4.1 折射率测量  68-70
    4.4.2 温度测量  70-74
  4.5 本章小结  74-76
第五章基于布拉格光栅的工程化传感器  76-94
  5.1 光纤光栅  76-78
  5.2 基于布拉格光栅的工程化传感器参数与制作  78-81
  5.3 系统界面实现  81-85
    5.3.1 LabVIEW  81-83
    5.3.2 解调仪  83-85
  5.4 光纤入侵防护系统  85-90
  5.5 多维度液体监测联调演示系统  90-93
  5.6 本章小结  93-94
第六章总结与展望  94-98
  6.1 总结  94-95
  6.2 展望  95-98
参考文献  98-108
攻读学位期间发表论文与研究成果  108-110
致谢  110-112
附件 1  112-114

新型光纤传感器的加工与应用研究

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