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基于双芯光纤的双锥角MZI型传感器的研究

2020-12-02阅读(779)

基于双芯光纤的双锥角MZI型传感器的研究

论文摘要

科学技术的迅速发展,经济水平的逐渐提升,以及国民对大型建筑质量问题的关注等,使得光纤传感也逐渐进入人们的视线。近年来,关于光纤传感的相关研究已涉及多个领域,并且也取得了许多的研究成果。光纤传感器与传统的电学传感器相比较有众多的优点,它可以实现大范围且精度高的检测,特别是相位调制型的光纤传感器。针对这一研究热点,从马赫-增德尔干涉型（MZI）的传感结构出发,并借助于双芯光纤折射率分布的特殊性,本文以双芯光纤为载体提出一种构造新奇的双锥角光纤应力传感器。主要的研究工作如下所述:（1）简要介绍了本文研究光纤传感器的大环境和必要性,以及光纤传感器和双芯光纤当前国内外的发展近况;论述了光纤传感器的工作机理,剖析了各种类型应力传感器的优势与不足。（2）根据双芯光纤的结构特征,结合耦合模式理论剖析研究了双波导模型的耦合原理。通过MATLAB仿真软件模拟并论述双芯光纤的耦合特性,对于对称结构的双芯光纤,两纤芯的互耦合系数是一样的。而对于非对称的双芯光纤,其耦合因子的大小代表了两个纤芯耦合的强弱。（3）从光纤结构连接以及光纤间的熔接方法出发,研究并模拟双芯光纤结构参数、偏置位移的变化等对光纤传感器传输能量的分布和光谱特性的影响。对双芯光纤MZI传感原理以及应力传感原理进行分析与研究。（4）基于对拉锥结构和偏置结构的仿真分析,提出了一种基于马赫-增德尔干涉仪的双锥角双芯光纤应力传感器。通过实验分别探究了双锥角与偏置结构级联、与拉锥结构级联的应力传感特性。实验数据显示,该结构的应力传感器不仅制作简单且灵敏度较高。进一步分析实验数据,得到双锥角与偏置结构级联的传感器在波长为1716.5nm处的应力灵敏度为7.6pm/με,在波长为1446.2nm处获得了最大的消光比19.3dB,且此处的应力灵敏度为6.39pm/με。相比于其他的应力传感器,该结构的传感器性能有了很大的改善,其灵敏度约为之前提出结构的两倍左右。而双芯光纤与单模光纤锥接的传感器结构在波长1455.5nm处获得的应力灵敏度为2.66pm/με,在波长为1665.9nm处得到的灵敏度为2.36pm/με。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  •   1.1 引言
  •   1.2 光纤传感器原理及分类
  •     1.2.1 光纤传感器原理
  •     1.2.2 光纤传感器分类
  •     1.2.3 光纤应力传感器
  •   1.3 光纤传感器的发展现状
  •   1.4 双芯光纤的介绍
  •   1.5 本文的主要研究内容
  • 2 双芯光纤耦合模式理论分析
  •   2.1 双芯光纤结构与分类
  •   2.2 光纤模式理论分析
  •   2.3 双芯光纤耦合模方程
  •   2.4 双芯光纤耦合特性分析
  •     2.4.1 理想耦合
  •     2.4.2 非理想耦合
  •   2.5 本章小结
  • 3 双芯MZI传感分析
  •   3.1 单模光纤与双芯光纤的熔接
  •     3.1.1 光纤拉锥方法
  •     3.1.2 光纤拉锥的仿真分析
  •     3.1.3 光纤偏置熔接方法与模拟分析
  •   3.2 双芯MZI传感理论分析
  •     3.2.1 光的相干原理
  •     3.2.2 MZI传感原理
  •     3.2.3 应力传感原理
  •   3.3 双芯光纤结构参数对传输谱的影响
  •     3.3.1 纤芯距对双芯光纤传输谱的影响
  •     3.3.2 光纤长度对双芯光纤传输谱的影响
  •     3.3.3 纤芯直径对双芯光纤传输谱的影响
  •     3.3.4 纤芯包层折射率差对双芯光纤传输谱的影响
  •   3.4 双芯光纤偏置结构的研究
  •   3.5 本章小结
  • 4 基于双芯光纤的双锥角结构传感特性研究
  •   4.1 传感结构设计与实验装置的搭建
  •     4.1.1 双芯光纤与单模光纤偏接
  •     4.1.2 双芯光纤与单模光纤锥接
  •     4.1.3 实验装置搭建
  •   4.2 双锥角结构传感原理分析
  •   4.3 实验验证与结果分析
  •     4.3.1 偏接实验结果讨论
  •     4.3.2 锥接实验结果讨论
  •   4.4 多种应力传感结构的对比分析
  •   4.5 本章小结
  • 5 总结与展望
  •   5.1 总结
  •   5.2 展望
  • 参考文献
  • 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
  • 学位论文数据集

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 呼媛媛

    导师: 宁提纲

    关键词: 双芯光纤,光纤应力传感,马赫增德尔干涉仪,双锥角

    来源: 北京交通大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

    单位: 北京交通大学

    分类号: TN253;TP212

    DOI: 10.26944/d.cnki.gbfju.2019.001247

    总页数: 85

    文件大小: 7051K

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