基于干涉原理和布拉格光栅的光纤传感器研究

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光纤传感技术在当今这个信息技术日新月异的时代,发挥着越来越重要的作用。但是,在光纤传感器的实际应用中,有许多难题亟待解决。其中,光纤传感器对多参数的交叉敏感性问题一直是广大科研人员关注的重点,同时也是制约光纤传感器进一步发展的瓶颈。本论文提出并制作了两种不同类型的光纤传感器,并且实验测得了传感器对于应变和温度的灵敏度。所制作的两种传感器从不同的角度有效解决了光纤传感器对应变和温度交叉敏感这个难题。本文的主要内容包括以下几个方面:第一章,介绍了光纤传感器的主要优点、分类和发展趋势。重点介绍了模间干涉型马赫-曾德光纤传感器和法布里-珀罗光纤传感器的特点和制作方法,以及光纤布拉格光栅传感器的特点和应用。阐述了光纤传感器对多参数交叉敏感的特性,以及解决多参数交叉敏感性的四种主要方案。概述了本论文的主要研究内容和若干创新点。第二章,概述了光的相干理论和光的干涉现象产生的条件。论述了模间干涉马赫-曾德光纤传感器、法布里-珀罗光纤传感器和光纤布拉格光栅传感器的基本传感原理。这些分析为后续的实验提供了理论的指导和依据。第三章,介绍了两种对应变不敏感的光纤温度传感器。其中一种使用单模光纤作为传感器的敏感单元,而另一种使用的是光敏光纤。先说明了传感器的制作过程,然后测量了传感器对应变和温度的响应情况。使用单模光纤的传感器,温度灵敏度为49.73pm/℃,而后者为100.64ppm/℃,两种传感器的应变灵敏度均低于1pm/με。这两种传感器都可以作为应变不敏感的光纤温度传感器。第四章,介绍了一种基于法布里-珀罗腔和光纤布拉格光栅级联的双参量光纤传感器,对这种传感器的制作流程和传感机理做了分析。这种双参量的光纤传感器能够同时感知光纤中的应变和环境的温度,结构紧凑,成本低廉。实验测得FPI和FBG对于应变的灵敏度分别为8.63pm/με和1.11 pm/με,对温度的灵敏度分别为和-1.60 pm/℃和9.75pm/℃。由于FBG和FPI对于应变和温度分别有不同的灵敏度,所以它们组合起来可以实现对双参量的同时测量。实验测得传感器同时进行应变和温度测量的最大误差分别为6.72με和0.98℃。第五章,本章回顾了整篇论文的脉络,总结了全文。讨论分析了本论文的不足之处,并且就论文中制作的几种光纤传感器提出了若干新的想法,作为后续实验的参考。
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