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《北京交通大学》 2017年
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基于特殊结构的光纤器件与传感系统的研究与应用

柏云龙  
【摘要】:伴随着光纤制作以及相关技术的进步,光纤传感器凭借自身优点,受到越来越多研究者的关注。在安全保障、交通运输、工程施工、管线监测等领域都有着广泛的应用。本文设计制作了不同的光纤干涉结构,并结合光纤光栅,分别搭建了可以对温度、折射率、振动、气压以及位置信息传感的特殊光纤结构传感器。具体工作包括以下几个方面:1.提出了无芯-单模-无芯的模式干涉结构,对该结构的透射谱特性进行了仿真。将该模式干涉结构与光栅相结合,制作了温度和折射率同时测量的传感器。模式干涉峰和光栅反射峰的温度灵敏度分别为0.07189nm/℃C和0.01654nm/℃C,其折射率灵敏度分别为-111.464nm/RIU和Onm/RIU。利用光栅和干涉结构制作了振动传感器,分析了不同结构的传感器性能。将该传感器应用到列车监控系统中,实验对列车行车状态进行了测量。2.利用光栅的应力敏感性,设计了一种基于二维光栅阵列的位置传感结构。实验中对各个光栅的中心波长进行了设计,并批量制作了所需光栅,用制成的传感器实现了二维位置传感,并以此为基础设计制作了十二个键位的全光纤键盘。3.提出了基于微加工的管状光纤和光纤光栅的复合结构传感器,实现了对温度和气压的同时测量。对该结构气压传感灵敏度进行了仿真,结果显示该结构的气压灵敏度约为2.78nm/MPa。实验制作所设计的温度和气压传感器,实现了对温度和气压的同时测量。测量结果显示传感器的气压灵敏度为3.9969 nm/MPa,温度灵敏度为8.7pm/℃C。4.提出了一种基于管状光纤和折射率匹配液的高灵敏度温度或气压传感结构,并对其进行了仿真。结果显示,传感结构温度灵敏度约为5.4nm/℃C,气压灵敏度约为-0.0152nm/Pa,自由光谱范围变化的灵敏度约为60.47nm/MPa。实验制作了基于管状光纤和折射率匹配液的传感器,并对小范围内温度和气压变化进行了测量,测得的温度灵敏度约为6.96nm/℃C。用该传感器对大范围气压变化的干涉谱进行了测量,测得自由光谱变化灵敏度约为59.9nm/MPa。
【关键词】:光纤传感器 马赫曾德尔干涉 法珀干涉 无芯光纤 管状光纤 光纤光栅 双参量测量 高灵敏度
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN253;TP212
【目录】:
  • 致谢5-6
  • 摘要6-7
  • ABSTRACT7-11
  • 1 绪论11-29
  • 1.1 引言11-12
  • 1.2 光纤传感器中所用光纤的分类12-14
  • 1.3 光纤传感器的分类14-26
  • 1.3.1 马赫曾德尔结构的光纤传感器15-19
  • 1.3.2 法布里珀罗干涉仪19-22
  • 1.3.3 光纤光栅22-26
  • 1.4 本论文的主要研究工作26-29
  • 2 光纤波导理论29-45
  • 2.1 引言29-30
  • 2.2 光纤的模式理论30-37
  • 2.2.1 二层圆光波导的模式30-34
  • 2.2.2 三层圆光波导的模式34-37
  • 2.3 突变光波导37-39
  • 2.4 光栅的模式耦合39-43
  • 2.5 本章小结43-45
  • 3 基于模式干涉和光栅的光纤传感器的研究45-85
  • 3.1 引言45-46
  • 3.2 基于无芯光纤的模式耦合结构的分析46-50
  • 3.3 基于多模干涉和光栅的双参量传感结构的仿真与实验50-67
  • 3.3.1 无芯-单模-无芯结构的模式耦合51-53
  • 3.3.2 无芯-单模-无芯结构的仿真53-58
  • 3.3.3 复合结构传感灵敏度矩阵的推导58-60
  • 3.3.4 复合结构传感器制作与实验60-67
  • 3.4 基于光纤的振动传感器67-74
  • 3.4.1 光纤振动传感器的设计与制作67-70
  • 3.4.2 长拉锥型振动传感器的设计与制作70-72
  • 3.4.3 光纤振动传感器的应用72-74
  • 3.5 基于光栅阵列的二维方位传感器74-82
  • 3.5.1 二维方位传感器工作原理75-78
  • 3.5.2 二维方位传感器的制作与实验78-82
  • 3.6 本章小结82-85
  • 4 基于法珀腔的光纤传感器85-115
  • 4.1 引言85-86
  • 4.2 基于管状光纤和光栅的温度气压传感器86-95
  • 4.2.1 管状光纤法珀腔工作原理与仿真86-89
  • 4.2.2 复合结构温度气压传感器的制作与测量89-95
  • 4.3 基于管状光纤的高灵敏度温度气压传感器95-113
  • 4.3.1 高灵敏度温度及气压传感器的理论分析96-105
  • 4.3.2 高灵敏度温度及气压传感器的制作与测量105-113
  • 4.4 本章小结113-115
  • 5 总结与展望115-117
  • 5.1 本论文主要研究成果115-116
  • 5.2 下一步工作的展望116-117
  • 参考文献117-135
  • 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果135-139
  • 学位论文数据集139

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