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《天津理工大学》 2015年
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基于光纤光栅和MZ干涉仪的全光纤传感器研究

刘慧莹  
【摘要】:光纤传感器具有优良的传感特性:体积小、重量轻、成本低、抗电磁干扰等。其中,光纤光栅是应用比较广泛的器件;而光纤干涉传感器也因具有较高灵敏度等优点成为一个研究热点。本论文紧密贴合光纤传感器发展趋势,在对光纤光栅传感器和光纤干涉传感器的研究基础上,以混合级联式光纤传感器为切入点,主要进行如下几个方面的研究:1.基于长周期光纤光栅和偏芯结构的MZ干涉仪的传感原理,设计了一种长周期光纤光栅和偏芯结构级联的传感器,长周期光纤光栅透射峰和MZ干涉谱特征波长对温度和折射率具有不同的灵敏度系数。实验中选取系统透射谱中的两个波谷(Dip1、Dip2)进行测量,得到其对温度的灵敏度分别为0.0607nm/℃、0.0563nm/℃;折射率灵敏度分别为-55.06nm/RIU、-18.025nm/RIU,利用敏感矩阵实现了温度和折射率的同时测量。同时得到温度和折射率测量的分辨率分别为0.32°C和0.05%RIU。2.基于光纤布拉格光栅和MZ干涉仪的传感特性,设计了一种光纤布拉格光栅和花生锥与偏芯结构结合的MZ干涉仪级联的光纤传感器。光纤布拉格光栅透射峰(dip1)与MZ干涉仪的干涉峰(dip2)对温度和折射率具有不同的灵敏度系数,对温度的灵敏度分别为0.01228nm/℃、0.08329nm/℃;dip1对折射率变化不敏感,dip2的折射率灵敏度为-26.965nm/RIU,利用敏感矩阵实现了温度和折射率的同时测量。该级联式传感结构的温度和折射率测量的分辨率分别为0.81°C和0.2%RIU。3.基于MZ干涉仪和光纤布拉格光栅的传感特性,设计了一种花生锥结构的MZ干涉仪和光纤布拉格光栅级联的光纤传感器。MZ干涉仪的干涉峰(dip1)与FBG透射峰(FBGdip)与对温度和微位移的灵敏性均不同,实验测得的温度灵敏度分别为0.0909nm/℃、0.0121nm/℃;微位移灵敏度分别为-0.0233nm/μm、0.0122nm/μm,从而利用敏感矩阵实现了温度和微位移的同时测量。得到所设计结构的温度和微位移测量的分辨率分别为0.26°C和1.52μm。
【关键词】:光纤传感技术 光纤光栅传感器 Mach-Zehnder 干涉仪 双参量测量
【学位授予单位】:天津理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TP212;TH744.3
【目录】:
  • 中文摘要5-6
  • abstract6-10
  • 第一章 绪论10-18
  • 1.1 引言10
  • 1.2 光纤传感器10-11
  • 1.2.1 光纤传感器的研究背景及意义10
  • 1.2.2 光纤传感器的国内外研究现状及发展趋势10-11
  • 1.2.3 光纤传感器的传统分类11
  • 1.3 光纤光栅传感器11-12
  • 1.4 干涉型光纤传感器12-15
  • 1.5 混合级联型光纤传感器15-16
  • 1.6 本文主要研究内容16-17
  • 1.7 本文创新点17-18
  • 第二章 光纤光栅和MZ干涉仪传感原理18-28
  • 2.1 光纤光栅传感原理18-24
  • 2.1.1 FBG的传感原理18-21
  • 2.1.2 LPFG的传感原理21-24
  • 2.2 光纤内MZ干涉仪传感原理24-27
  • 2.2.1 光的相干理论24
  • 2.2.2 Inline MZI干涉原理24-25
  • 2.2.3 Inline MZI传感原理25-27
  • 2.3 本章小结27-28
  • 第三章 偏芯结构级联LPFG传感特性研究28-37
  • 3.1 传感单元的设计及原理分析28-30
  • 3.1.1 传感单元的设计28-29
  • 3.1.2 传感原理分析29-30
  • 3.2 传感单元的制作30
  • 3.3 传感实验分析30-34
  • 3.3.1 实验装置30-32
  • 3.3.2 温度特性实验32-33
  • 3.3.3 折射率特性实验33-34
  • 3.4 实验结果及分析34-36
  • 3.5 本章小结36-37
  • 第四章MZ干涉仪级联FBG的传感特性研究37-45
  • 4.1 传感单元的设计及原理分析37-38
  • 4.1.1 传感单元的设计37
  • 4.1.2 传感原理分析37-38
  • 4.2 传感单元的制作38-39
  • 4.3 传感实验分析39-43
  • 4.3.1 实验装置39-40
  • 4.3.2 温度特性实验40-41
  • 4.3.3 折射率特性实验41-43
  • 4.4 实验结果及分析43
  • 4.5 本章小结43-45
  • 第五章 花生锥级联FBG的传感特性研究45-55
  • 5.1 传感单元的设计及原理分析45-48
  • 5.1.1 传感单元的设计45
  • 5.1.2 传感原理分析45-48
  • 5.2 传感单元的制作48
  • 5.3 传感实验分析48-53
  • 5.3.1 实验装置48-49
  • 5.3.2 温度特性实验49-51
  • 5.3.3 微位移特性实验51-53
  • 5.4 实验结果及分析53-54
  • 5.5 本章小结54-55
  • 第六章 总结与展望55-56
  • 参考文献56-62
  • 发表论文和科研情况说明62-63
  • 致谢63-64

【参考文献】
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