A000基于偏芯结构全光纤干涉型传感器研究.docx

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1、书目第一章结论21.1 引言21.2 光纤传感器的基本原理31.3 干涉型光纤传感器介绍5.3.1光纤的分类51.3.2几种传统干涉型光纤传感器71.33干涉型光纤传感器的国内外探讨现状81.3.4干涉型光纤传感器的主要特点和问题91.4本设计的主要探讨内容10其次章干涉型光纤传感器的基本理论Il2.1 几种典型的干涉型光纤传感器的基本原理Il2.1.1 MaCh-ZehndCr(M-Z)干涉仪的基本原理Il光纤法布里-玻罗(F-P)干涉仪的基本原理152.1.2 纤干涉仪的基本原理162.1.4 Sagnac光纤干涉仪的基本原理192.2 干涉型光纤传感器中的几种结构22第三章基于单模徘结构

2、级联偏芯实现温度折射率双参量测量的传感器.263.1 推结构级联偏芯结构的工作原理263.2 传感试验263.2.1 传感器的制作263.2.2 温度特性试验263.2.3 折射率特性试验263.3 本章小结26第四章基于单模锥结构级联双错位熔接实现温度折射率双参量测属的传感264.1 推级联双错位熔接结构的工作原理264.2 传感试验264.2.1 传感器的制作264.2.2 温度特性试验264.2.3 折射率特性试验264.2.4 小结27第五堂总结与展望27参考文献27致谢28第一章绪论1.1 引言光纤传感技术是二十世纪七十年头左右随着光纤通信技术的萌芽而快速建立起来的，通过以光波这一我

3、体并光纤这一媒质，起到具有!知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号教体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有系列独特的、其他教体和媒质难以相比的优点。传盛技术是近几年热门的应用技术,传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和才智化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受者昧。光纤具有很多优异的性能，例如:抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、全量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。偏芯熔

4、接是近年来较为常见的实现模间干涉的方法。在对芯熔接时，信号光会在纤芯内传播，当偏芯熔接时，一部分光会干脆强合进包层，另一部分光仍旧在纤芯内传播，当这两部分光进过耦合器时会发生干涉，进而可以实现传感，错位熔接节（COre-OffSeljoint,简称COJ）具有结构紧凑、稳固和便利制作等优点，并能有效地激发和耦合光纤传播模式，简洁构建一个模间干涉的干涉仪。1.2 光纤传感器的基本原理光纤传感涔通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。众所周知，描述光波特征的参址很多（如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等），这些参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生变更，特殊如温度、压力

5、、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时,都公使这些参量发生相应变更.光纤传感幽就是依据这些参量随外界因素的变更关系来检测各相应物理量的大小。图1是光纤传感器的结构原理图。光源幸光纤传感元件光纤或调制区图1/光纤传感器的结构原理图光纤传感器按其作用不同可分为两种类型:传光型和敏感型。传光型光纤传感器中的光纤只是作为传光介质，其光路中必需另加其他的传感元件：敏感型光纤传感器中的光纤不仅传光，而且会随外界因素作用使传光特性发生.相应变更。光纤传感器按其检测方法不同主要又可分为两种类型：强度型和相位型，强度型光纤传感器是利用传感对象和光纤中传输光波的

6、光强关系来检测相关物理量的,通常采纳多模光纤,结构相对简洁牢拈。相位型光纤传感得是利用传感对象和光纤中光波相位变更关系,通过干涉的方法测得相移，从而来检测相关物理垃，通常采纳单模光纤组成双光路，结构和技术相对困难，但灵敏度较高。此外，还有光频率调制型和光偏振调制型等类型的光纤传感器0光纤传感涔可分为干涉型和非干涉型，可通过相位，频率，强度和偏振调制等方式实现对不同物理量的测量，详细内容如表1所示：图1-2结构型光纤传感器工作原理示意图图1-3拾光型光纤传感器工作原理示意图拾光型光纤传感着原理：拾光型光纤传感器把光纤作为探头，目的是接收被测对象所辐射的光以及被其所散射或反射的光。辐射式光纤温度传

7、感器、激光多普勒速度计等均是具有代表性的例子。如图1-3所示。1.3 干涉型光纤传感器介绍1.3.1 光纤的分类光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是“光的全反射”。光纤的典型结构是一种瘦长多层同轴网柱形实体更合纤维。自内向外为：纤芯（芯层）T包层一涂覆层（被覆层）。核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介侦光波导，形成对光信号的传导和约束，实现光的传输，所以又将二者构成的光纤称为裸光纤。其中涂凝层又称被覆层，是一层高分子涂层，主要对裸光纤供应机械爱护，因裸光纤的主要成分为二氧化硅，它是一种脆性易碎材料，抗弯的性能差，韧性差，为提高光纤的微弯性能，涂覆一层

8、面分子涂层。光纤结构图如1-4所示。全反射是一种特殊的折射现象，当光线从一种介质I射向另一种介质2时.原来应当有一部分光进入介质2,称为折射光。另一部分光反射回介质1，称为反射光。但当介质1的折射率大丁介质2的折射率，即光从光密介射向光疏介质时，折射角是大于入射角的，所以当增大入射角,折射角也增大，但折射角先增大到90度，此时折射光消逝（入射角叫临界角），只剩下反射光,称为全反射现象，产生全反射的条件是：I、须由光密介质射向光统介质,2、入射角必需大于临界/（!（C）.光纤通信利用的就是全反射的道理，光纤在结构上有纤芯和包层两种不同的介质,光从中心传播时遇到光纤弯曲处，会发生全反射现缴，而保证

9、光线不会泄漏到光纤外。光在匀称透亮的，即使是弯曲的玻璃棒的光滑内壁上，借助于接连不断地全反射，可以从一端传导到另一端.当棒的截面直径很小，甚至到数微米数量级，传导的效果也不变，这种导光的细玻璃丝称光学纤维，简称光纤。光在光纤传输过程中，主要有两种模式:传导模和辐射模。依据光波导原理，要想形成传导模，必需具备条件：Kn2knl,其中E,m分别是纤芯和包U的折射率，是光在纤芯中的传播常数假设光信号被束缚在纤芯中，并且沿光纤轴向无衰诚地传播，则须满意包层中的相速度大于纤芯中光的相速度。假如激励源，光纤本身形态，缺陷等因素使传导模的条件不能成立时，光信号便会形成在包层中2013年，韩伟提出了一种偏芯熔

10、接的方法对传统光纤传感器进行了改进。该方法主要依独将光纤偏芯熔接，激发包层模，利用这点来形成两种不同类型的干涉峰并使其强加，依靠这两种干涉峰对待测参量的不同橄感度来实现双参量同时测量。2014年，童峥昧、韩伟、曹晔口。嘿出一种偏芯熔接的多模光纤传感器,将两端纤芯直径相同的多模光纤偏芯熔接，利用多模光纤纤芯模耦合形成的干涉谷以及纤芯模和包层模耦介成的干涉谷对温度和折射率进行测量。2015年5月，张颖、李晓林、高云磊等人M依据光纤光学传输理论建立了偏芯结构的理论计算模型，通过菲涅耳公式推导出偏芯光纤倏逝波的表达式，进而求出了倏逝波的穿透深度。最终仿真出偏芯光纤中纤芯偏移距离对其模场分布、倏逝波场以

11、及基模有效折射率的影响，为偏芯光纤传感应用供应了理论依据。2015年10月.曹晔、赵晨、至峥蛛网提出并制作了一种马赭增德干涉仪级联光纤布喇格光栅的全光纤传感器，其中i赫塔德干涉仪由两个球形结构组成，起分光器和耦合器的作用.分析了各项结构参量对灵极度的影响，结果表明马赫增德干涉峰和光纤布喇格光栅的透射峰对不同参量的灵敏度不同。1.3.4 干涉型光纤传感器的主要特点和问题光纤传感罂进行物理室的测量具有以下优点。I、适用范围广。光纤传感器是用光纤作为光波载体来探测被测量的，因而能在质量差的环境卜工作，如强磁场，强电场，高温，高压，强腐蚀性等传统传感器难以胜任的地方。因其具有适用范用广的优点。2,敏捷

12、性.由丁光纤及其细，可塑性好，可以做成各种形态的探测器,以适应各种不同的应用场合。所以其敏捷性特别好。3、灵敏度高。光纤传感器技术在很多物理量的测量中表现出极高的灵敏度，尤其是干涉型光纤传感器在当今是最灵敏的一种探测技术。用于位移测量的光纤传感器，其灵敏度可达IoQ的数量级。4,可实现远距树测量.光纤传感器用光纤作为传输介质，光纤具有很好的传导性能，其具有很小的光波损耗，使远距离传输成为现实。1.4 本设计的主要探讨内容本论文基于干涉型光纤传感潺的基本理论，查找相关资料，总结干涉型光纤传感器分类和国内外发展的状况，并且更进一步地，对基于单模锥结构级联偏芯实现温度折射率双参量测量的传感器和基F单

13、模锥结构级联双错位熔接实现温度折射率双参量测St的传感器相关的原理和试验进行了总结和实施.论文针对基于偏芯结构的全光纤传感潜进行了探讨和展望，并Il依据对应传感器进行试验，总结试验数据。论文展望基于偏芯结构的全光纤传感涔的发展趋势和应用前景，在将来其具有广泛的应用前景和应用优势。其次章干涉型光纤传感器的基本理论2.1 几种典型的干涉型光纤传感器的基本原理光纤传感器分为传光型(非功能型)和传感型(功能型)两类，而干涉型光纤传感器就属于传感型的光纤传感器，它同时具有光纤传感器和干涉测量的优点。外部信号作用到干涉型光纤传感涔的传感探测部位(通常是雎模光纤)会引起干涉信号的相位变更，通过检测光信号相位

14、变更引起的输出效果(例如：光强度)变更，就能够获得被探测对象的相关信息。2.1.1 MaCh-Zehnder(M-Z)干涉仪的基本原理Mach-Zchndcr干涉仪原理图如图2-1所示。结构上，MaCh-ZChndCr干涉仪主要由2个3dB耦合器和2段光纤1.l和1.2组成，其中1.l称为信号寓，1.2称为参考W.光源发出的光经耦合器1时被分成2束，一束经过信号骂1.l,一束经过参考臂1.2,然后在耦合器2处发生干涉，在输出端视察干涉图样。经过传输矩阵法分析可得输出端的光强为I1=-y(1+acosi.t)(2-1)2=-y(1-acos(t)(2-2)镜以增加光的耦合程度。依据Mach-Zc

15、hndcr干涉仪的原理，由两个光纤出射的两个激光束在耦合出口处发生干涉，产生干涉条纹，经传感罂接收后将温度变更时干涉条纹的变更规律传输到监视器，通过测量此干涉效应的变更，即可确定外界温度的变更。图2-2全光纤MaCh-ZChndCr干涉仪温度传感器原理图Maeh-ZChndCr干涉型磁传感涔包含2条光纤：一条作为参考咫，另一条作为传感臂.在传感普光纤上外贴一条（或几条）或涂敷一层磁致伸缩材料，如锲条、金属玻璃等。在外界待测磁场中，磁性材料发生磁致伸缩效应，从而引起光纤产生形变，导致光纤中光程及折射率变更，使得光的相位产生位移,通过对信号光纤与参考光纤中的两路光进行相干检测得出光相位位移，经过数据处理最终测得外界磁场大小网。H光源耦合器：一酸性材料耦1器检测器图2-3光纤磁传感冷系统简图全光纤MaCh-Zehnder干涉仪电流传感器的一个普通过细金属套管，并接入电路，通过限制流过金属套管电流的热效应谢整其温度，干涉仪的两臂长差进行调谐，引起干涉光相位的变更，实现了对电流的传感网。图24非等博Mach-Zehnder干涉仪的电流调谐试验示意图全光纤Mach-Zchndcr干涉仪电压传感器的一个普粘贴在压电陶殳上，通过压电陶烧电致伸缩效应，拉伸（或收缩光纤，引起干涉