新型光纖模式干涉儀傳感特性及復(fù)合參數(shù)測量的研究.pdf

1、光纖傳感器是以光波為載體，光纖為媒質(zhì)的新型傳感器。相對于傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器，光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度高等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、化學(xué)工業(yè)、石油存儲和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域，近年來一直是國內(nèi)外研究的熱點。光纖模式干涉儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、易于復(fù)合參數(shù)測量等優(yōu)點，是光纖傳感技術(shù)的一個重要研究方向。本論文主要對新型光纖模式干涉儀的傳感特性進(jìn)行研究，主要研究對象為無芯光纖模式干涉儀、多芯光纖模式干涉儀、多模-多芯-多模光纖模

2、式干涉儀，詳細(xì)研究了新型光纖模式干涉儀的光譜特性，通過實驗驗證了干涉儀應(yīng)用不同物理參量的測量。重點研究了新型光纖模式干涉儀不同參數(shù)交叉敏感問題，利用光纖光柵傳感技術(shù)，實現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)新穎的光纖復(fù)合參數(shù)傳感器，分析了復(fù)合參數(shù)傳感器的測量原理和分辨率。利用新型光纖模式干涉儀的傳感和濾波特性，實現(xiàn)了多種類型的光纖激光傳感器，主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　(1)實驗制作了無芯光纖模式干涉儀，該干涉儀由一段無芯光纖熔接于兩段單模光纖之間構(gòu)成

3、，實驗研究了其應(yīng)變、折射率的傳感特性;利用無芯光纖模式干涉儀的折射率敏感特性，將無芯光纖模式干涉儀固定于U型鋼尺上實現(xiàn)了基于無芯光纖模式干涉儀的液位傳感器;利用無芯光纖的彎曲敏感特性，將無芯光纖固定于鋁線上，實現(xiàn)了基于安培力和無芯光纖模式干涉儀的電流傳感器。該類型干涉儀具有結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械性能強(qiáng)的優(yōu)點。
　　(2)提出了一種多芯光纖模式干涉儀，該干涉儀由一段多芯光纖熔接于兩段單模光纖之間構(gòu)成;該干涉儀具有較好的光譜特性，透射譜最大消

4、光比達(dá)到了23dB;重點研究了該干涉儀的光譜特性和傳感特性，將干涉儀分別應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、折射率、曲率等待測參數(shù)的測量，干涉儀對以上待測參數(shù)展示了較好的線性特性。提出了一種多模-多芯-多模光纖模式干涉儀，其中多芯光纖兩端的多模光纖分別作為模式的分束器和合束器;通過和多芯光纖模式干涉儀的對比可以看到由于多模光纖的接入，干涉儀的光譜特性得到了優(yōu)化，而光譜的損耗并沒有增加;對該干涉儀的傳感特性進(jìn)行了研究，將干涉儀分別應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、折射率等

5、參數(shù)的測量。該類型干涉儀具有高消光比、制作簡單的優(yōu)點。
　　(3)提出一個基于非對稱單模光纖模式干涉儀的液位傳感器，非對稱光纖模式干涉儀由細(xì)錐和偏芯熔接結(jié)構(gòu)構(gòu)成，同時利用光纖布拉格光柵(FBG)的溫度敏感特性，對該液位傳感器進(jìn)行了溫度補(bǔ)償;當(dāng)波長的分辨率為10pm，可以得到該傳感器的液位和溫度分辨率分別為0.15cm和1.01℃，該傳感器制作采用單模光纖，具有制作成本低、操作性強(qiáng)的優(yōu)點。
　　(4)利用無芯光纖模式干涉儀和F

6、BG的復(fù)合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了一個應(yīng)變和溫度傳感器，當(dāng)應(yīng)變和溫度變化時，透射譜損耗峰和FBG的波長都會發(fā)生漂移，同時透射譜損耗峰和FBG對應(yīng)變和溫度的靈敏度不同，通過測量透射譜損耗峰和FBG的波長漂移可以實現(xiàn)應(yīng)變和溫度的同時測量，當(dāng)波長的分辨率為10pm時，該傳感器的應(yīng)變和溫度分辨率分別為8.4με和0.78℃。該傳感器具有分辨率高、制作簡單的優(yōu)點，在雙參數(shù)測量領(lǐng)域具有較大吸引力。
　　(5)利用無芯光纖沒有包層對折射率敏感特性，提出了一個

7、基于無芯光纖和磁流體的磁場傳感器。將無芯光纖模式干涉儀封裝于毛細(xì)玻璃管內(nèi)，毛細(xì)玻璃管內(nèi)注入磁流體，并采用環(huán)氧樹脂膠密封，當(dāng)外界磁場強(qiáng)度變化時，無芯光纖的透射譜將會發(fā)生漂移，同時在無芯光纖模式干涉儀輸出單模光纖寫制FBG，利用FBG的溫度傳感特性，實現(xiàn)磁場測量過程中的溫度補(bǔ)償，當(dāng)傳感器工作于線性范圍，且波長的最小分辨率為10pm時，可以得到該傳感器的磁場和溫度分辨率分別為1.09mT和0.84℃。該磁場傳感器具有靈敏度高、溫度補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點，

8、在磁場測量領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
　　(6)利用多芯光纖模式干涉儀和FBG復(fù)合結(jié)構(gòu)，在一定波長范圍內(nèi)，利用透射譜的兩個損耗峰和FBG波長實現(xiàn)了折射率、應(yīng)變和溫度的多參數(shù)測量，當(dāng)波長分辨率為10pm時，該傳感器的折射率、應(yīng)變和溫度分辨率分別為0.0004RIU、11.06με和0.17℃。同時該傳感器可以應(yīng)用于液位、應(yīng)變和溫度的多參數(shù)測量，當(dāng)波長分辨率為10pm時，該傳感器的液位、應(yīng)變和溫度分辨率分別為0.034cm、11.35με

9、和0.19℃。相對于已有的光纖三參數(shù)傳感器，該傳感器具有消光比高、信息處理簡單的優(yōu)點。
　　(7)根據(jù)無芯光纖模式干涉儀、多芯光纖模式干涉儀的傳感特性，將無芯光纖模式干涉儀、多芯光纖模式干涉儀，分別作為濾波器應(yīng)用于光纖環(huán)形腔激光器中，實現(xiàn)了光纖激光傳感器;當(dāng)待測參量變化引起光纖模式干涉儀的透射譜發(fā)生漂移時，將會導(dǎo)致激光輸出波長的變化，因此可以通過測量激光輸出波長的變化實現(xiàn)多種待測參量的測量。光纖激光傳感器不僅具有光纖傳感器的優(yōu)點，