當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)信息化的社會(huì),能夠快速、準(zhǔn)確地獲取各種關(guān)鍵信息,必然會(huì)成為發(fā)展的一大優(yōu)勢(shì)。光纖傳感技術(shù)自發(fā)明之日起,就因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)緊湊、不受電磁干擾、耐腐蝕、穩(wěn)定性高以及方便遠(yuǎn)程測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),引起了人們極大的關(guān)注,被廣泛應(yīng)用到了諸如國(guó)防軍事、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)、生物、化學(xué)、航天航空及質(zhì)量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。光纖傳感器可以快速準(zhǔn)確地測(cè)量溫度、壓力、濕度、折射率、應(yīng)變等一些物理量,但是目前大多數(shù)光纖傳感器過于追求新材料,對(duì)制作工藝要求復(fù)雜,加工也比較困難,這些限制會(huì)增加光纖傳感器的成本,對(duì)它們的大規(guī)模的使用和推廣有一定的影響。因此,本文設(shè)計(jì)制作了F-P光纖傳感器、Michelson光纖傳感器和混合光纖傳感器,并就它們的傳感特性進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。本論文的主要內(nèi)容如下:(1)簡(jiǎn)要介紹了本文的研究背景,以及論文研究?jī)?nèi)容的實(shí)際意義,又講述了光纖傳感器的大致分類,重點(diǎn)敘述了F-P、Mach-Zehnder和Michelson光纖傳感器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。(2)采用熔接法,在大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)的優(yōu)化熔接參數(shù)指導(dǎo)下,利用石英毛細(xì)管和普通單模光纖設(shè)計(jì)出了一種F-P光纖傳感器,簡(jiǎn)單敘述了它的結(jié)構(gòu)及其制作過程,使用Matlab對(duì)它進(jìn)行了一定的理論分析。該傳感器的傳感特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,它對(duì)溫度的靈敏度結(jié)果為0.16pm/℃,對(duì)應(yīng)變的靈敏度結(jié)果為3.72pm/με,也就是傳感器對(duì)溫度不敏感,測(cè)量應(yīng)變的時(shí)候可以不考慮溫度的交叉影響問題。(3)利用單模光纖熔融成的球狀結(jié)構(gòu)后再接一段單模光纖,設(shè)計(jì)出了一種Michelson光纖傳感器,簡(jiǎn)要介紹了它的結(jié)構(gòu)及其制作過程,并對(duì)它的傳感原理進(jìn)行了分析。該傳感器的傳感特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,它對(duì)溫度的靈敏度為54.69pm/℃,它對(duì)應(yīng)變的靈敏度結(jié)果為0.90 pm/με,即該傳感器對(duì)應(yīng)變極不敏感,測(cè)量溫度的時(shí)候可以不考慮應(yīng)變的交叉影響問題。(4)將上述的F-P腔和構(gòu)成Michelson光纖傳感器的球狀結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián),形成一種新的混合光纖傳感器,對(duì)該傳感器的光譜特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹,并針對(duì)它的傳感特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果顯示,在不同的干涉波長(zhǎng)處,傳感器對(duì)溫度和應(yīng)變的響應(yīng)不同,根據(jù)這個(gè)特性,該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TP212;TH744.3
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論1.1 光纖傳感的背景及研究目的與意義光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫，它是一種主要由二氧化硅制成的透明度高、直徑極小的玻璃纖維，傳輸光波的基本原理是光的全反射原理。光纖傳感技術(shù)是利用在光纖中傳播的光束，傳輸外界待測(cè)物理量信號(hào)的傳感技術(shù)。作用于傳感探頭的外界待測(cè)物理量（如溫度、應(yīng)變、折射率、壓力、濕度等）發(fā)生變化時(shí)，在光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奶卣鲄⒘浚ㄈ缦辔�、光�?qiáng)、偏振、波長(zhǎng)等）就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，找出兩者之間的變化關(guān)系，進(jìn)而就能得出物理量的變化量，光纖傳感器的原理如圖 1-1 所示。光源發(fā)出的光通過光纖經(jīng)過傳感探頭，在外界待測(cè)物理量的影響下，光波自身特征參量發(fā)生變化，然后被光譜分析儀接收，從而解調(diào)出有用信號(hào)，達(dá)到傳感目的[1-2]。

據(jù)輸出的干涉光譜的變化就能推出腔長(zhǎng)的變化以及待測(cè)物理量的變化，實(shí)現(xiàn)傳感測(cè)量。例如，將光纖 F-P 腔固定到一個(gè)物體上，物體的形變會(huì) F-P 腔的腔長(zhǎng)，導(dǎo)致輸出的干涉光譜發(fā)生變化，這就可以制成 F-P 光纖/振動(dòng)等傳感器；將光纖 F-P腔固定到熱膨脹系數(shù)高并且線性度好的材料腔長(zhǎng)隨材料的變化而變化，這就是 F-P 光纖溫度傳感器；將光纖 F-P 固磁/電致伸縮材料上，就可以構(gòu)成 F-P 光纖磁場(chǎng)/電壓傳感器等等。圖 1-2 F-P 光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖

Juncheng Xu 等人將單模光纖固定到內(nèi)徑比較大的石英毛細(xì)管中，其中單模光纖的末端熔接有極小一段多模光纖，熔接點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)反射面，另一個(gè)反射面是一定厚度的硅膜，該傳感器在 700℃的溫度下對(duì)壓力的靈敏度 2.93nm/psi[21]。2009 年， S.H.Aref 等人利用空芯光子晶體光纖（hollow-core photoniccrystal fiber，HCPCF）的兩端和單模光纖連接在一塊從而形成傳感器，實(shí)驗(yàn)分別得到±1.4με 的微應(yīng)變分辨率和±0.2℃的溫度分辨率，并且該結(jié)構(gòu)對(duì)曲率不敏感[22]。次年，重慶大學(xué)的徐敏、朱濤等人也提出了一種基于 HCPCF 的F-P 光纖傳感器，用來測(cè)量液體的折射率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液體的折射率在1.3340~1.3612 內(nèi)變化時(shí)，該傳感器的折射率靈敏度高達(dá) 187μm/RIU[23]。2013年，燕山大學(xué)的張燕君等人提出了一種測(cè)量應(yīng)變的 HCPCF 的 F-P 光纖傳感器，他們將空芯光子晶體光纖的一端與單模光纖熔接形成反射面 1，將另一端通過在熔接機(jī)內(nèi)放電使端面塌陷形成反射面 2，構(gòu)成以空芯光子晶體光纖為 F-P 腔的干涉?zhèn)鞲衅�，如圖 1-4 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該傳感器在 F-P 腔長(zhǎng)為 2mm 情況下的室溫應(yīng)變靈敏度為 3.1nm/με[24]。

【參考文獻(xiàn)】

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1 王艷;童崢嶸;張衛(wèi)華;欒盼盼;趙月;薛力芳;;Research on optical fiber magnetic field sensors based on multi-mode fiber and spherical structure[J];Optoelectronics Letters;2017年01期

2 張燕君;劉雙柱;蘇玉玲;;HCPCF端面塌陷成腔工藝的F-P應(yīng)變傳感器[J];光電工程;2013年01期

3 林巧;陳柳華;李書;吳興坤;;基于光纖-鏡面干涉腔的光纖加速度計(jì)[J];光學(xué)精密工程;2011年06期

4 朱濤;徐敏;饒?jiān)平?柯濤;劉良辰;;基于空芯光纖的集成式全光纖法-珀干涉式濕度傳感器[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2010年06期

5 徐敏;朱濤;饒?jiān)平?柯濤;史翠華;;基于空芯光子晶體光纖的F-P干涉式折射率計(jì)[J];光電子.激光;2010年01期

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1 張珊珊;新型光纖M-Z干涉?zhèn)鞲薪Y(jié)構(gòu)及特性研究[D];南開大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2816863