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《北京交通大学》 2017年
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新型光纤模式干涉仪传感特性及复合参数测量的研究

李超  
【摘要】:光纤传感器是以光波为载体,光纤为媒质的新型传感器。相对于传统的电学传感器,光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高等优点,已经广泛应用于机械工程、化学工业、石油存储和结构健康监测等领域,近年来一直是国内外研究的热点。光纤模式干涉仪具有结构紧凑、灵敏度高、易于复合参数测量等优点,是光纤传感技术的一个重要研究方向。本论文主要对新型光纤模式干涉仪的传感特性进行研究,主要研究对象为无芯光纤模式干涉仪、多芯光纤模式干涉仪、多模-多芯-多模光纤模式干涉仪,详细研究了新型光纤模式干涉仪的光谱特性,通过实验验证了干涉仪应用不同物理参量的测量。重点研究了新型光纤模式干涉仪不同参数交叉敏感问题,利用光纤光栅传感技术,实现了多种结构新颖的光纤复合参数传感器,分析了复合参数传感器的测量原理和分辨率。利用新型光纤模式干涉仪的传感和滤波特性,实现了多种类型的光纤激光传感器,主要研究内容和创新点如下:(1)实验制作了无芯光纤模式干涉仪,该干涉仪由一段无芯光纤熔接于两段单模光纤之间构成,实验研究了其应变、折射率的传感特性;利用无芯光纤模式干涉仪的折射率敏感特性,将无芯光纤模式干涉仪固定于U型钢尺上实现了基于无芯光纤模式干涉仪的液位传感器;利用无芯光纤的弯曲敏感特性,将无芯光纤固定于铝线上,实现了基于安培力和无芯光纤模式干涉仪的电流传感器。该类型干涉仪具有结构简单、机械性能强的优点。(2)提出了一种多芯光纤模式干涉仪,该干涉仪由一段多芯光纤熔接于两段单模光纤之间构成;该干涉仪具有较好的光谱特性,透射谱最大消光比达到了 23 dB;重点研究了该干涉仪的光谱特性和传感特性,将干涉仪分别应用于应变、温度、折射率、曲率等待测参数的测量,干涉仪对以上待测参数展示了较好的线性特性。提出了一种多模-多芯-多模光纤模式干涉仪,其中多芯光纤两端的多模光纤分别作为模式的分束器和合束器;通过和多芯光纤模式干涉仪的对比可以看到由于多模光纤的接入,干涉仪的光谱特性得到了优化,而光谱的损耗并没有增加;对该干涉仪的传感特性进行了研究,将干涉仪分别应用于应变、温度、折射率等参数的测量。该类型干涉仪具有高消光比、制作简单的优点。(3)提出一个基于非对称单模光纤模式干涉仪的液位传感器,非对称光纤模式干涉仪由细锥和偏芯熔接结构构成,同时利用光纤布拉格光栅(FBG)的温度敏感特性,对该液位传感器进行了温度补偿;当波长的分辨率为10pm,可以得到该传感器的液位和温度分辨率分别为0.15 cm和1.01℃,该传感器制作采用单模光纤,具有制作成本低、操作性强的优点。(4)利用无芯光纤模式干涉仪和FBG的复合结构实现了一个应变和温度传感器,当应变和温度变化时,透射谱损耗峰和FBG的波长都会发生漂移,同时透射谱损耗峰和FBG对应变和温度的灵敏度不同,通过测量透射谱损耗峰和FBG的波长漂移可以实现应变和温度的同时测量,当波长的分辨率为10 pm时,该传感器的应变和温度分辨率分别为8.4με和0.78℃。该传感器具有分辨率高、制作简单的优点,在双参数测量领域具有较大吸引力。(5)利用无芯光纤没有包层对折射率敏感特性,提出了一个基于无芯光纤和磁流体的磁场传感器。将无芯光纤模式干涉仪封装于毛细玻璃管内,毛细玻璃管内注入磁流体,并采用环氧树脂胶密封,当外界磁场强度变化时,无芯光纤的透射谱将会发生漂移,同时在无芯光纤模式干涉仪输出单模光纤写制FBG,利用FBG的温度传感特性,实现磁场测量过程中的温度补偿,当传感器工作于线性范围,且波长的最小分辨率为10 pm时,可以得到该传感器的磁场和温度分辨率分别为1.09 mT和0.84℃。该磁场传感器具有灵敏度高、温度补偿的优点,在磁场测量领域具有广阔应用前景。(6)利用多芯光纤模式干涉仪和FBG复合结构,在一定波长范围内,利用透射谱的两个损耗峰和FBG波长实现了折射率、应变和温度的多参数测量,当波长分辨率为10pm时,该传感器的折射率、应变和温度分辨率分别为0.0004 RIU、11.06με和0.17℃。同时该传感器可以应用于液位、应变和温度的多参数测量,当波长分辨率为10 pm时,该传感器的液位、应变和温度分辨率分别为0.034 cm、11.35με和0.19℃。相对于已有的光纤三参数传感器,该传感器具有消光比高、信息处理简单的优点。(7)根据无芯光纤模式干涉仪、多芯光纤模式干涉仪的传感特性,将无芯光纤模式干涉仪、多芯光纤模式干涉仪,分别作为滤波器应用于光纤环形腔激光器中,实现了光纤激光传感器;当待测参量变化引起光纤模式干涉仪的透射谱发生漂移时,将会导致激光输出波长的变化,因此可以通过测量激光输出波长的变化实现多种待测参量的测量。光纤激光传感器不仅具有光纤传感器的优点,同时具有窄线宽、高功率的优点,在超远距离、高精度测量领域具有独特优势。
【关键词】:光纤传感器 模式干涉仪 无芯光纤 多芯光纤 光纤布拉格光栅 复合参数测量 磁场测量
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN253;TP212
【目录】:
  • 致谢5-7
  • 摘要7-9
  • ABSTRACT9-15
  • 1 绪论15-37
  • 1.1 引言15
  • 1.2 光纤传感器的概述和研究热点15-19
  • 1.3 模式干涉型光纤传感器的研究现状19-29
  • 1.3.1 单模光纤模式干涉型传感器的研究现状20-23
  • 1.3.2 特殊光纤模式干涉型传感器的研究现状23-29
  • 1.4 光纤复合参数传感器的研究现状29-34
  • 1.4.1 同构结构光纤复合参数传感器的研究现状29-31
  • 1.4.2 异构结构光纤复合参数传感器的研究现状31-34
  • 1.5 本论文的结构安排34-37
  • 2 基于模式干涉的光纤传感器理论分析37-51
  • 2.1 引言37
  • 2.2 光纤模式理论37-41
  • 2.3 模式干涉型光纤传感器的原理41-45
  • 2.3.1 应变传感原理42-44
  • 2.3.2 温度传感原理44-45
  • 2.3.3 折射率传感原理45
  • 2.4 光纤复合参数传感器的原理及误差分析45-48
  • 2.4.1 光纤复合参数传感器的原理45-47
  • 2.4.2 光纤复合参数传感器的误差分析47-48
  • 2.5 本章小结48-51
  • 3 新型光纤模式干涉仪的传感特性分析51-75
  • 3.1 引言51
  • 3.2 无芯光纤模式干涉仪的传感特性分析51-59
  • 3.2.1 应变传感特性分析53-54
  • 3.2.2 折射率传感特性分析54-56
  • 3.2.3 液位传感特性分析56-57
  • 3.2.4 基于无芯光纤模式干涉仪的电流传感器57-59
  • 3.3 多芯光纤模式干涉仪的传感特性分析59-67
  • 3.3.1 应变传感特性分析62
  • 3.3.2 温度传感特性分析62-64
  • 3.3.3 折射率传感特性分析64-65
  • 3.3.4 曲率传感特性分析65-66
  • 3.3.5 液位传感特性分析66-67
  • 3.4 多模-多芯-多模光纤模式干涉仪的传感特性分析67-72
  • 3.4.1 应变传感特性分析69-70
  • 3.4.2 温度传感特性分析70-71
  • 3.4.3 折射率传感特性分析71-72
  • 3.4.4 曲率传感特性分析72
  • 3.5 本章小结72-75
  • 4 基于FBG、光纤模式干涉仪的复合参数测量75-105
  • 4.1 引言75
  • 4.2 基于FBG、非对称单模光纤模式干涉仪的双参数测量75-83
  • 4.2.1 光纤光栅制作75-77
  • 4.2.2 液位和温度双参数测量77-83
  • 4.3 基于FBG、无芯光纤模式干涉仪的双参数测量83-94
  • 4.3.1 应变和温度双参数测量83-88
  • 4.3.2 磁场和温度双参数测量88-94
  • 4.4 基于FBG、多芯光纤模式干涉仪的多参数测量94-103
  • 4.4.1 折射率、应变和温度多参数测量94-102
  • 4.4.2 液位、应变和温度多参数测量102-103
  • 4.5 本章小结103-105
  • 5 基于新型光纤模式干涉仪的环形腔光纤激光传感器105-115
  • 5.1 引言105
  • 5.2 基于无芯光纤模式干涉仪的环形腔光纤激光传感器105-110
  • 5.3 基于多芯光纤模式干涉仪的环形腔光纤激光传感器110-113
  • 5.4 本章小结113-115
  • 6 总结与展望115-119
  • 6.1 本论文的主要研究内容与创新点115-117
  • 6.2 下一步拟进行的研究工作展望117-119
  • 参考文献119-133
  • 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果133-139
  • 学位论文数据集139

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