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基于多模干涉效应的SMS型光纤结构传感技术研究

钱春霖  
【摘要】:由于光纤传感器其本身重量轻、体积小、插入损耗小、抗电磁干扰、耐腐蚀、高灵敏度等诸多非常适合实际应用需求的优良特性,使得其在例如国防军事、商业应用等诸多重大领域起到了非凡的功用。基于多模干涉效应和自成像原理是光纤传感器常用的一种传感机制。基于单模—多模—单模(Single-mode-multimodeSingle-mode:SMS)光纤结构的传感器由于其结构简单、灵活而日渐成为科研工作者的研究的热点。本文主要基于SMS光纤结构的传感理论,设计出SMS型折射率传感器和应力传感器。本文主要内容包括:(1)首先介绍了光纤传感器的基本传感原理和分类以及其在各领域的应用成果,其次简要概述了多模干涉型传感器的研究现状,介绍了基于SMS光纤结构的传感器一些成果。(2)介绍了阶跃多模光纤的模式理论、模式耦合理论和基于SMS光纤结构的传感机理。(3)提出了一种基于单模-多模-单模(SMS)光纤结构的折射率传感方案。发现采用波谷检测方法可以有效地提高传感灵敏度。研究发现多模光纤中模式数量对传输结果影响较大。当改变单模光纤和多模光纤的结构参数而保持其归一化频率不变,从而保证多模光纤中模式数量不变时,其总能获得规则的传输曲线。增大光纤直径可以有效提高传感灵敏度。当取多模光纤纤芯直径为70μm时,最高灵敏度达到3.725×105nm/RIU,检测极限7×10-7RIU。(4)我们发现基于SMS光纤结构的输出光谱偏移对多模光纤的长度变化较为敏感,因而当多模光纤受到应力作用而发生长度变化时,输出光谱也会发生变化。基于应力对光纤的作用原理,采用简单的横向拉伸的方法,实现横向应力传感。模拟结果表明当取多模光纤直径为30μm且模式数量较少时,其灵敏度的平均值为0.3942nm/g。比基于布拉格光栅结构的光纤应力传感器的高4倍。


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