【摘要】：傳感技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心,其發(fā)展水平?jīng)Q定著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展水平,同時(shí)也是衡量一個(gè)國(guó)家信息化程度、科技創(chuàng)新與發(fā)展的重要標(biāo)志。近年來,光纖傳感器在生物化學(xué)、醫(yī)療、環(huán)境檢測(cè)、軍事安防等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,可以利用光纖傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)力、折射率、液位、磁場(chǎng)等參量單一或同時(shí)測(cè)量。和傳統(tǒng)的電傳感器相比,光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、耐腐蝕、耐高溫,抗電磁干擾及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),其在小型化、智能化的傳感網(wǎng)絡(luò)中具有極大的優(yōu)勢(shì)。隨著光纖制作技術(shù)的進(jìn)步,基于特種光纖的光纖傳感器展現(xiàn)出其優(yōu)良的性能。本論文結(jié)合光纖傳感器的高靈敏度、微型化、多參量集成等發(fā)展需求,在前人工作的基礎(chǔ)上,對(duì)基于特種光纖的模式干涉結(jié)構(gòu)傳感器和基于受激布里淵散射效應(yīng)的光纖傳感器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。主要研究成果如下:1.實(shí)驗(yàn)制作了一種少模D型光纖,對(duì)其模式特性進(jìn)行了分析。研究了外界環(huán)境折射率和光纖研磨深度對(duì)D型光纖模式有效折射率的影響,為高靈敏度光纖傳感器的制作提供途徑。提出了一種新型基于D型光纖和布拉格光柵的折射率和溫度傳感器。結(jié)合光纖光柵的溫度傳感特性,可以通過同時(shí)監(jiān)測(cè)模式干涉結(jié)構(gòu)的下陷峰波長(zhǎng)和光纖光柵布拉格波長(zhǎng)的漂移實(shí)現(xiàn)折射率和溫度的同時(shí)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在折射率測(cè)量范圍為1.333到1.428時(shí),此結(jié)構(gòu)傳感器的折射率靈敏度為-31.79nm/RIU。當(dāng)光譜儀分辨率為O.01nm時(shí),折射率和溫度的測(cè)量精度分別為1.4×10-3RIU和1.7℃。2.提出了一種無芯光纖-D型光纖-無芯光纖結(jié)構(gòu)的液位傳感器。利用D型光纖中高階包層模式對(duì)外界環(huán)境參量變化更加敏感的原理,監(jiān)測(cè)傳感結(jié)構(gòu)傳輸光譜下陷峰波長(zhǎng)隨D型光纖浸沒在待測(cè)液體中長(zhǎng)度的變化,實(shí)現(xiàn)液位的高靈敏度測(cè)量。在待測(cè)液體折射率分別為1.333、1.355和1.377時(shí),對(duì)應(yīng)的液位靈敏度為191.89pm/mm、208.11pm/mm和213.80pm/mm。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究了傳感結(jié)構(gòu)的溫度特性,在液體折射率為1.333的情況下,溫度和液位的交叉敏感系數(shù)為-0.128mm/℃。此結(jié)構(gòu)的液位傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),適用于高靈敏度的液位測(cè)量。3.提出了一種基于D型光纖模式干涉結(jié)構(gòu)和磁流體的磁場(chǎng)傳感器。利用磁流體折射率隨外界磁場(chǎng)強(qiáng)度改變的特性,傳感器的傳輸光譜發(fā)生漂移實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量。同時(shí)監(jiān)測(cè)傳輸光譜中兩個(gè)下陷峰波長(zhǎng)的漂移,實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)和溫度進(jìn)行同時(shí)傳感。該傳感器的磁場(chǎng)和溫度靈敏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為99.68pm/Oe和-77.49pm/℃C。對(duì)比了此傳感器與已報(bào)道的同類型傳感器,此結(jié)構(gòu)具有高靈敏度、結(jié)構(gòu)緊湊和成本低廉等優(yōu)點(diǎn),有潛力應(yīng)用于磁場(chǎng)和溫度同時(shí)傳感領(lǐng)域。4.提出了一種基于無芯光纖-單模光纖-保偏光纖-單模光纖-無芯光纖結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)傳感器。理論分析了無芯光纖長(zhǎng)度對(duì)傳感結(jié)構(gòu)傳輸光譜的影響,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。扭轉(zhuǎn)傳感實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此傳感結(jié)構(gòu)傳輸光譜的消光比隨光纖扭轉(zhuǎn)角度發(fā)生改變。在扭轉(zhuǎn)角度為-240°到360°范圍內(nèi),扭轉(zhuǎn)靈敏度為0.34dB/(rad/m)。進(jìn)一步通過監(jiān)測(cè)傳輸光譜下陷峰的波長(zhǎng)漂移實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量,實(shí)驗(yàn)得到溫度靈敏度為41.89pm/℃。5.提出了一種基于受激布里淵散射的M型折射率分布單模光纖用于溫度和應(yīng)力同時(shí)測(cè)量。通過仿真計(jì)算研究了此光纖中的縱向聲學(xué)模式,將此光纖與普通單模光纖性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算結(jié)果表明此光纖的布里淵增益譜中存在多個(gè)布里淵增益峰,分別對(duì)應(yīng)不同階數(shù)的聲學(xué)模式。進(jìn)一步研究了此光纖布里淵增益譜中的兩階布里淵增益峰對(duì)溫度和應(yīng)力的響應(yīng)特性,溫度和應(yīng)力的測(cè)量精度分別為0.47℃和12.3με。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN253;TP212
【圖文】：

截面的光纖，如Ｄ型光纖、矩形無芯光纖、橢圓形光纖等；基于微結(jié)構(gòu)的光纖，逡逑如多芯光纖（ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ邋ｆｉｂｅｒ，ＭＣＦ）、細(xì)芯光纖、光子晶體光纖（ｐｏｈｏｔｏｎｉｃ邋ｃｒｙｓｔａｌ逡逑ｆｉｂｅｒ，邋ＰＣＦ）。還有保偏光纖、空心光纖、多模光纖等，如圖１－２所示。逡逑ｎ邋0邋（？）逡逑圖１－２．光纖傳感器中光纖結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１－２．邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｆｉｂｅｒ邋ｉｎ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｆｉｂｅｒ邋ｓｅｎｓｏｒ．逡逑在實(shí)際的傳感應(yīng)用中，對(duì)傳感器的性能指標(biāo)要求不斷提高，如靈敏度、穩(wěn)定逡逑性、抗交叉敏感的需求等，應(yīng)當(dāng)考慮光纖本身的結(jié)構(gòu)特性、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)特逡逑性等選擇合適的光纖進(jìn)行不同傳感參量的測(cè)量。例如，使用普通單模光纖和熊貓逡逑型保偏光纖作為傳感單元對(duì)折射率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，光纖纖芯中信號(hào)光的波長(zhǎng)、強(qiáng)度逡逑等表征參數(shù)不隨光纖外部折射率變化而改變，所以無法實(shí)現(xiàn)折射率傳感。因此需逡逑要懫用特殊的加工方式改變光纖結(jié)構(gòu)，包括腐蝕、拉錐、研磨處理等方式。Ｘｉｎ邋Ｗａｎｇ逡逑等人提出將熊貓型保偏光纖拉制成微納光纖實(shí)現(xiàn)海水鹽度的測(cè)量［２６］，當(dāng)光纖的直逡逑徑減小時(shí)

單模光纖本身能將信號(hào)光很好地限制在纖芯內(nèi)傳輸，利用單模光纖制作模式干涉逡逑儀，需要對(duì)光纖進(jìn)行特殊處理實(shí)現(xiàn)單模光纖中高階包層模式的激發(fā)和耦合，其中逡逑特殊處理方式包括：熔融拉錐、ｕｐ－ｔａｐｅｒ結(jié)構(gòu)，偏芯焊接等方式，如圖１－３所示。逡逑６逡逑

等人提出基于一組多個(gè)Ｄ型光纖的折射率傳感器，傳感器結(jié)構(gòu)為在多模光纖上使逡逑用飛秒激光加工出七個(gè)ｌ00｜ｉｍ深，２５０ｐｍ寬，１ｍｍ長(zhǎng)的槽，構(gòu)成七段間隔為１ｍｍ逡逑的Ｄ型光纖。如圖１－５所示，激光加工后的Ｄ型光纖平面到纖芯的距離為２５Ｍｎ＾逡逑表明光纖纖芯暴露在外界環(huán)境中，而且包層和和涂覆層部分保留使傳感器有足夠逡逑機(jī)械強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)獲得不同濃度液體對(duì)應(yīng)折射率分辨率為１．２７ｘｌ（Ｔ３ＲＩＵ到３．１３ＸＵＴ４逡逑ＲＪＵ［７Ｇ１。２０１１年，Ｌａｎｚａ等人提出一個(gè)Ｄ型光纖光柵傳感器，研究了傳感結(jié)構(gòu)的逡逑磁場(chǎng)傳感特性，獲得磁場(chǎng)靈敏度為１．４４０３ｐｍ／Ｇ［￣，但是該傳感器中需要利用飛秒逡逑激光寫入光纖光柵，這就提高了制作成本和系統(tǒng)的復(fù)雜度。２０１４年，Ｕｂｅｉｄ等人逡逑提出Ｄ型光纖覆蓋石墨烯材料，并且研宄了結(jié)構(gòu)的反射特性，結(jié)果表明由于石墨逡逑烯的存在，折射率靈敏度顯著提高［７２］。２０１５年，ＡｍｒｉｔＰａｔｎａｉｋ等人提出基于氧化逡逑涂層的石墨烯覆蓋Ｄ型光纖傳感器，對(duì)應(yīng)折射率變化的波長(zhǎng)靈敏度為逡逑１２逡逑

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

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中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

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本文編號(hào)：2770954