A000基于偏芯结构的全光纤干涉型传感器研究

目录第一章绪论..........................................................................................................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..........................................................................51.3.1光纤的分类..................................................................................51.3.2几种传统干涉型光纤传感器......................................................71.3.3干涉型光纤传感器的国内外研究现状......................................81.3.4干涉型光纤传感器的主要特点和问题......................................91.4本设计的主要研究内容........................................................................10第二章干涉型光纤传感器的基本理论............................................................112.1几种典型的干涉型光纤传感器的基本原理.......................................112.1.1Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪的基本原理...................................112.1.2光纤法布里-玻罗（F-P）干涉仪的基本原理.........................152.1.3迈克尔逊光纤干涉仪的基本原理.............................................162.1.4Sagnac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第三章基于单模锥结构级联偏芯实现温度折射率双参量测量的传感器....263.1锥结构级联偏芯结构的工作原理........................................................263.2传感实验................................................................................................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量的传感器..................................................................................................................................264.1锥级联双错位熔接结构的工作原理....................................................264.2传感实验................................................................................................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........................................................................264.3本章小结................................................................................................27第五章总结与展望............................................................................................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代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起来的，通过以光波这一载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。传感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、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。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、重量轻的机械性能，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，一部分光会直接耦合进包层，另一部分光仍然在纤芯内传播，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-offsetjoint，简称COJ）具有结构紧凑、稳固和方便制作等优点，并能有效地激发和耦合光纤传播模式，容易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器通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。众所周知，描述光波特征的参量很多(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改变，特别如温度、压力、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,都会使这些参量发生相应变化.光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化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。图1-1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，其光路中必须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化。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光强关系来检测相关物理量的，通常采用多模光纤,结构相对简单可靠。相位型光纤传感器是利用传感对象和光纤中光波相位变化关系,通过干涉的方法测得相移，从而来检测相关物理量，通常采用单模光纤组成双光路，结构和技术相对复杂，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。光纤传感器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[3]，具体内容如表1所示：表1光纤传感器的分类和测量的物理量注：SM单模；MM多模；PM偏振保持；1、2、3功能型、非功能型、拾光型物理型光纤传感器原理：光纤对环境变化十分敏感，物性型光纤传感器是运用了这一特性，把输入的物理量转变成调制光信号。光纤的光调制效应是其基本工作原理，例如压力、温度、磁场、电场等发生改变时，其传光特性（如光照强度与相位会发生变化），以上均是光纤所受外界环境因素。根据这些因素，若能测量出通过光纤的光照强度与光相位变化，即可知晓需测得的变化物理量。激光器的点光源光束扩散为平行波，分光器把光束分成两路，分别为基准光路、测量光路。当外界参数如压力、温度、振动等引起光纤长度与相位的光相位变化时，从而产生了数量不同的干涉条纹，对其模向移动进行统计，则可以测量到温度、压力等参数。结构型光纤传感器原理：结构型光纤传感器是光检测功能的光敏元件和光纤传输回路以及测量电路组成的测量系统。其光纤作为光的传播媒介，故又称为传光型（非功能）光纤传感器，如图1-2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器原理：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细长多层同轴圆柱形实体复合纤维。自内向外为：纤芯（芯层）→包层→涂覆层（被覆层）。核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介质光波导，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。其中涂覆层又称被覆层，是一层高分子涂层，主要对裸光纤提供机械保护，因裸光纤的主要成分为二氧化硅，它是一种脆性易碎材料，抗弯曲性能差，韧性差，为提高光纤的微弯性能，涂覆一层高分子涂层。光纤结构图如1-4所示。图1-4光纤结构全反射是一种特殊的折射现象，当光线从一种介质1射向另一种介质2时,本来应该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的折射率大于介质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