基于模间干涉原理的光纤传感器技术研究

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近年来,光纤传感器因其在基础科学研究、环境质量监测、生物化学分析以及化工生产等领域的广泛应用而受到广泛关注。与传统的传感器相比,光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、灵敏度高、测量范围大以及可遥感测量等诸多优点。正是这些独特的优点极大的推动了光纤传感器技术的发展,满足了现代测量技术的需要。  最近几年全光纤在线干涉仪由于具有体积小、制作工艺简单、灵敏度高、稳定性好等优点受到研究人员的青睐,多种新型的全光纤在线型干涉仪被研制出来,例如双花生型光纤干涉仪、光纤拉锥型干涉仪和基于纤芯直径失配的光纤干涉仪。它们有一个共同点,就是只考虑了占主导地位的包层模与纤芯模干涉,而忽略了其它弱激发的包层模与纤芯模的干涉。在本文中,我们将弱包层模与纤芯模的干涉也考虑进去,提出了基于不同包层模与纤芯模干涉实现折射率与温度同时测量的新构想,并设计与制作了一种制作工艺简单、结构简单紧凑、成本低、灵敏度高的折射率与温度同时测量的传感器。  我们的主要工作内容如下:  (1)对光纤传感器的原理、分类、优点和应用领域进行了简单的总结。  (2)对光纤的模式理论进行了详细的理论分析。  (3)对两类基于模间干涉原理的光纤传感器进行了理论分析,并分别予以举例介绍。一类是基于多模干涉效应和自映像效应的光纤传感器,一类是基于光纤的纤芯模与包层模干涉的光纤传感器。  (4)提出了利用单模光纤中不同的包层模与纤芯模干涉实现折射率与温度同时测量的想法,并基于此原理设计并制作了一种光纤传感器,该传感器由两段多模光纤熔接在三段单模光纤之间构成。理论分析表明,不同包层模与纤芯模干涉形成的特征波长具有不同的折射率和温度灵敏度,通过选取不同的特征波长就可以实现折射率与温度的同时测量。  (5)根据理论分析,设计并搭建实验平台对本文提出的光纤传感器的实际传感性能进行实验验证,实验结果表明该传感器具有良好的传感性能。
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