基于长周期光纤光栅构建光纤传感测量的研究

论文摘要

光纤传感技术将光波作为载体,光纤作为媒介,是一种感知和传输外界被测信号的新型传感技术。与传统电学传感器件相比,具有灵敏度高,抗电磁干扰、耐高温、抗腐蚀、灵活性好等优点,因此引起人们广泛的的关注。二十世纪九十年代出现了长周期光纤光栅（long-period fiber grating,LPFG）,一种具有周期性折射率调制的无源光纤器件,其超大的周期决定了它与传统的布拉格光栅（fiber Bragg grating,FBG）相比具有完全不同的耦合机制。LPFG的周期通常有几十到几百微米,它可以将处于纤芯的基模耦合到同向传输的包层模中去,其中心波长和耦合强度与外界环境的变化息息相关。除了具有传统光纤光栅成本低,制备简单,易集成等特点,还具有插入损耗小,对多个外部参量敏感,无后向反射等优点,所以在通信、传感等领域都有着十分广阔的发展前景。论文主要对光栅光谱特点以及温度、应力、折射率的灵敏度进行理论模拟,对光栅的单参量和多参量的传感测量进行了研究,具体内容如下:（1）结合长周期光纤光栅的耦合模式,模拟分析了光栅参数对于波形的影响,各参量灵敏度与光栅参数的关系,以及不同刻蚀方法对于光栅参量的影响。（2）将LPFG和FBG进行温度对比测量,得到LPFG对于温度的高灵敏度,将LPFG接入萨格纳克和马赫增德尔干涉光路进行温度测量,得到相同灵敏度表明其不受光路的影响可以保持自身传感特性。对LPFG进行了微弯和轴向方向上的应力测量,得到中心波长和耦合深度关于应力的线性关系。对LPFG进行了折射率测量,得到中心波长关于折射率的线性关系。（3）对保偏光纤的温度和应力传感特性进行探究,将长周期光纤光栅与保偏光纤通过萨格纳克环路级联进行了温度和应力的同时测量,避免了测量单一参量时另一参量的串扰。对单模-多模-单模光纤结构的温度和应力传感测量进行探究,将其作为温度补偿器和长周期光纤光栅级联使用,实现温度补偿的折射率测量。（4）利用单模光纤组成光纤法布里-玻罗腔,进行微米量级的应变测量,利用其结构紧凑、测量稳定且只受腔长变化调制的特点,作为LPFG监测温度、折射率时候的应力补偿测量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 光纤传感技术概述
•     1.1.1 光纤传感的原理
•     1.1.2 光纤传感的分类
•     1.1.3 光纤传感器的应用
•   1.2 长周期光纤光栅概述
•   1.3 长周期光纤光栅的应用
•     1.3.1 温度传感器
•     1.3.2 应变传感器
•     1.3.3 折射率传感器
•   1.4 论文主要内容
• 第2章 长周期光纤光栅的传感特性
•   2.1 长周期光纤光栅的基本理论
•     2.1.1 光栅传输耦合模理论
•     2.1.2 周期对透射谱的影响
•     2.1.3 长度对透射谱的影响
•     2.1.4 包层对透射谱的影响
•   2.2 长周期光纤光栅的传感特性
•     2.2.1 温度灵敏特性
•     2.2.2 应变灵敏特性
•     2.2.3 折射率灵敏性
•   2.3 长周期光纤光栅的制备技术
•     2.3.1 紫外写入法
•     2.3.2 飞秒刻蚀法
•     2.3.3 化学腐蚀法
•   2.4 本章小结
• 第3章 LPFG单参量传感特性的研究
•   3.1 LPFG温度传感的研究
•     3.1.1 高灵敏特性的探究
•     3.1.2 测量稳定性的探究
•   3.2 长周期光纤光栅应力传感的研究
•     3.2.1 微弯应力的探究
•     3.2.2 轴向应力的探究
•   3.3 折射率传感研究
•     3.3.1 测量意义及方法
•     3.3.2 测量结果及分析
•   3.4 本章小结
• 第4章 LPFG多参量传感特性的研究
•   4.1 LPFG与保偏光纤的级联应用
•     4.1.1 保偏光纤温度灵敏性
•     4.1.2 保偏光纤应变灵敏性
•     4.1.3 级联测量系统的设计
•     4.1.4 测量结果及分析
•   4.2 LPFG与模间干涉结构的级联应用
•     4.2.1 单模和多模光纤的错位熔接
•     4.2.2 多模干涉串联和并联的分析
•     4.2.3 模间干涉传感的测量及分析
•     4.2.4 级联系统测量结果及分析
•   4.3 LPFG与光纤法珀腔的级联应用
•     4.3.1 法珀腔应变测量原理
•     4.3.2 应变测量的光路设计
•     4.3.3 应变测量的实验结果
•     4.3.4 级联应用结果及分析
•   4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王进

导师: 王丽

关键词: 光纤传感,长周期光纤光栅,光栅参数,单参量测量,多参量测量

来源: 北京工业大学

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: 北京工业大学

分类号: TN253;TP212

DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000628

总页数: 64

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