基于小角度倾斜光纤光栅和磁流体的磁场传感特性研究

论文摘要

磁场传感发展至今,传统的磁场传感器易受电磁干扰等影响,而基于光纤的光学磁场传感器利用光信号传输,具有体积小、重量轻、结构简单,且不受电磁干扰影响的特点,在磁场探测领域展现出了一定的应用前景。随着光纤制作技术的发展,倾斜光纤光栅以其独特的光学传感特性,获得了学术人员的广泛研究。本文的主要创新点及研究内容如下:（1）研究了倾斜光纤光栅的结构和纤芯模在不同倾斜角范围内的相位匹配条件,得出不同模式的谐振波长。同时根据光纤包层与外界环境折射面的条件,计算出纤芯模在不同耦合方式下的临界角。并且仿真了倾斜角θ,折射率调制深度?neff,光栅长度L以及光栅周期P这四个参数对倾斜光纤光栅的光谱特性的影响。（2）根据倾斜光纤光栅的光谱特性选择合适的参数,通过分析倾斜光纤光栅的透射谱特性来研究倾斜光纤光栅的折射率传感特性。首先解决折射率传感过程中应变、温度因素对倾斜光纤光栅透射谱的影响,在应变测量范围0με2000με,温度测量范围-50℃150℃的前提下,利用双参数法同时测量应变和温度,确定双参数二维方程中的4个系数,解决应变和温度的交叉敏感。其次考虑应变和温度的灵敏度、纤芯模和包层模的耦合效率、带宽检测等因素,选择倾斜角为4°的倾斜光纤光栅研究折射率传感特性。分析了当透射谱波长检测精度在0.01nm时,环境折射率变化在11.4的范围下,各个模式下谐振波长与外界环境折射率的关系,通过检测谐振波长来确定外界环境折射率。最后考虑到倾斜光纤光栅的倾斜角在实际制造过程中可能会发生微小偏移,因此研究了微小角度（0.1°）变化对倾斜光纤光栅传感特性的影响。（3）根据磁流体的折射率可调谐特性,利用郎之万函数方程,仿真外界磁场与磁流体折射率的关系。在以上的基础上,将小角度倾斜光纤光栅对外界环境折射率的敏感特性与磁流体的折射率可调谐特性结合,设计了一种基于小角度倾斜光纤光栅和磁流体的光学磁场传感器,将磁流体作为小角度倾斜光纤光栅的外界环境介质,通过检测倾斜光纤光栅的包层模的谐振波长实现了磁场的检测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 磁场传感的研究现状
•     1.2.2 光纤传感的研究现状
•     1.2.3 倾斜光纤光栅的研究现状
•   1.3 本文的关键问题分析
•   1.4 本文研究的主要内容
•   1.5 本文的主要贡献及创新点
•   1.6 本文的章节安排
• 第2章 倾斜光纤光栅的理论基础
•   2.1 倾斜光纤光栅的结构
•   2.2 倾斜光纤光栅的耦合模理论基础
•   2.3 倾斜光纤光栅的传感理论研究
•     2.3.1 倾斜光纤光栅折射率传感原理
•     2.3.2 倾斜光纤光栅应变传感原理
•     2.3.3 倾斜光纤光栅温度传感原理
•   2.4 本章小结
• 第3章 小角度倾斜光纤光栅的透射光谱特性的研究
•   3.1 引言
•   3.2 小角度倾斜光纤光栅的模式耦合
•   3.3 倾斜光纤光栅透射谱特性的仿真研究
•     3.3.1 倾斜光纤光栅透射谱分析
•     3.3.2 倾斜光纤光栅透射谱与光栅倾角的关系
•     3.3.3 倾斜光纤光栅透射谱与光栅折射率调制深度的关系
•     3.3.4 倾斜光纤光栅透射谱与光栅长度的关系
•     3.3.5 倾斜光纤光栅透射谱与光栅周期的关系
•   3.4 本章小结
• 第4章 基于小角度倾斜光纤光栅的传感特性研究
•   4.1 引言
•   4.2 倾斜光纤光栅传感特性仿真参数选择
•   4.3 小角度倾斜光纤光栅的应变温度交叉敏感研究
•     4.3.1 倾斜光纤光栅的应变传感特性
•     4.3.2 倾斜光纤光栅的温度传感特性
•     4.3.3 倾斜光纤光栅的应变和温度双参数测量的二维方程
•   4.4 小角度倾斜光纤光栅的折射率传感特性
•   4.5 微小角度变化对传感特性的影响
•     4.5.1 微小角度倾斜光纤光栅折射率传感特性
•     4.5.2 微小角度倾斜光纤光栅应变传感特性
•     4.5.3 微小角度倾斜光纤光栅温度传感特性
•   4.6 本章小结
• 第5章 基于小角度倾斜光纤光栅和磁流体的传感特性研究
•   5.1 引言
•   5.2 磁流体折射率与磁场关系
•   5.3 基于小角度倾斜光纤光栅和磁流体的光学磁场传感器设计
•   5.4 基于小角度倾斜光纤光栅和磁流体的磁场传感特性研究
•   5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈雅俊

导师: 武向农

关键词: 光纤传感,倾斜光纤光栅,磁流体,磁场传感

来源: 上海师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 上海师范大学

分类号: TN253;TP212

总页数: 62

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