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《天津理工大学》 2015年
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基于磁流体包覆复合光纤光栅的磁场传感器研究

蔺际超  
【摘要】:随着物联网应用的蓬勃发展,当前研究人员正在采取相关方法与技术不断提高智能化产品与设备的设计系统的性能。光纤光栅传感器由于抗干扰、测量精度高、体积小、响应灵敏等优点,其传感机理和结构设计得到越来越多的科研人员关注和研究。本文将复合光纤光栅与磁流体的特性相结合,提出磁场传感测量的设计计划与方案。主要围绕减小包层直径的布拉格光纤光栅、倾斜长周期光纤光栅和普通长周期光纤光栅级联多模光纤等结构,结合磁流体在不同磁场强度下具有折射率可调谐特性,就其在光纤磁场传感中的应用进行了深入的理论和实验研究。本文主要工作如下:(1)提出一种基于磁流体包覆减小包层直径的布拉格光纤光栅的磁场传感器,通过腐蚀特意改变布拉格光栅的包层直径,使得光纤中的基模模式与环境介质相互作用,并且从布拉格光栅谐振峰和包层模式谐振峰进行实验和分析,得到波长漂移量与磁场强度大小有很好的响应关系。(2)利用高频CO2激光器写制倾斜长周期光纤光栅,该光纤光栅不仅能够将光从纤芯模耦合到同向传输的包层模中,而且能够与非对称的包层模式发生耦合。实验上得到LP0m和LP1m模式分别对应的谐振峰。随着外界磁场强度变化时,深入研究磁流体包覆时该结构的光谱特性,其传输损耗的变化大小与磁场的强度有很好的线性关系。(3)利用HF溶液腐蚀并去掉多模光纤(105/125)的包层,并将其与长周期光纤光栅熔接级联。实现了一种对温度和磁场双参数同时测量的传感测量器件。利用长周期光栅的模式耦合与多模光纤的干涉这两种不同耦合机制获得双参数传感矩阵,其能够有效解决磁场传感时存在的温度交叉干扰问题,并从传感机理进行深入研究。该器件能够有效解决磁场传感时存在的温度交叉干扰问题,同时得到对宽范围磁场进行探测的传感特性。
【关键词】:磁流体 折射率可调谐 磁场传感器 复合光纤光栅 多模光纤 包层模耦合
【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】:TN253
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第一章 绪论10-19
  • 1.1 课题背景与研究意义10
  • 1.2 光学磁场传感器的分类10-13
  • 1.2.1 基于电磁致伸缩效应材料光纤磁场传感器11-12
  • 1.2.2 基于磁光效应的光学磁场传感器12-13
  • 1.3 磁流体的概述13-17
  • 1.3.1 磁流体的特性14-16
  • 1.3.2 磁流体的应用及研究现状16-17
  • 1.4 本论文的主要研究内容17-19
  • 第二章 光纤光栅理论及其特性研究19-25
  • 2.1 布拉格光纤光栅19-20
  • 2.2 长周期光纤光栅20-21
  • 2.3 光纤光栅的应用21-24
  • 2.3.1 光纤光栅在通信中的应用21-22
  • 2.3.2 光纤光栅在光纤传感中的应用22-24
  • 2.4 本章小结24-25
  • 第三章 基于磁流体包覆光纤光栅的磁场传感器25-37
  • 3.1 基于减小包层直径的布拉格光栅和磁流体结合的磁场传感器25-30
  • 3.1.1 传感器件的制作过程26-27
  • 3.1.2 光纤倏逝场理论27-28
  • 3.1.3 磁场测量结果与分析28-30
  • 3.2 基于磁流体包覆倾斜长周期光栅的磁场传感器30-36
  • 3.2.1 倾斜长周期光栅理论30-32
  • 3.2.2 磁场传感实验结果与分析32-36
  • 3.3 本章小结36-37
  • 第四章 基于级联多模光纤和长周期光纤光栅的双参数磁场传感器37-47
  • 4.1 引言37
  • 4.2 基于多模光纤和长周期光纤光栅结合的磁场传感器工作原理37-39
  • 4.3 温度和磁场传感的实验研究39-45
  • 4.3.1 温度和磁场同时测量探测40-43
  • 4.3.2 对宽范围磁场的测量研究43-45
  • 4.4 本章小结45-47
  • 第五章 工作总结与展望47-49
  • 参考文献49-55
  • 发表论文和科研情况说明55-57
  • 致谢57-58

【参考文献】
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