宏弯光纤干涉传感特性及其磁场测量技术研究

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光纤传感器作为一种新型的传感器件,在体积、灵敏度、分辨率,以及环境适应性等方面都有着其他传感器件不具有的优势,因此近年来,各类型光纤传感器得到了极大程度的发展,已然成为科学工作者热衷的研究对象和在工程应用中的有利工具。对于光纤宏弯传感器来说,由于其结构简单、调谐灵活,目前被广泛应用于各个领域,但是其大部分传感原理为依据在光纤受到外界环境作用下,光的传输损耗变化情况来实现测量的,也因此,这类强度调制型的光纤宏弯传感器性能不稳定,分辨率低。本文以简化传感器的制备,提高传感器性能等为研究目标,提出了一种基于宏弯光纤的干涉式传感器,对基于波长调制型的干涉型宏弯光纤传感器的传感特性进行了理论分析和实验研究,并结合磁流体,对其应用到磁场测量中的技术、方法及实验进行了进一步的研究,扩大了干涉型宏弯光纤传感器的应用范围。本文主要完成了以下主要研究内容:(1)阐述分析了宏弯曲对光纤本身折射率,数值孔径等参数造成的影响,并据此,设计了基于宏弯光纤的干涉式传感器,对其工作原理进行了分析及模拟,并进一步地对其制备工艺进行了探索和研究,对制作好的传感器进行了实验性能测试和分析,得出了不同弯曲半径下,传感器的输出光谱情况;(2)基于制作完好的新型干涉型宏弯光纤传感器,实现了对外界溶液折射率变化的测量,分析了折射率与谐振波长的关系。进一步地,分析和探究了温度对传感器折射率传感特性的影响。实验结果表明,温度、折射率与谐振波长均呈线性关系,温度测量灵敏度最高可达0.418 nm/℃,折射率测量灵敏度最高可达224.39 nm/RIU;(3)有效地解决了新型干涉型宏弯光纤传感器折射率与温度的交叉敏感问题。针对本文提出的新型干涉型宏弯光纤传感器对外界温度和折射率变化的同时敏感问题,设计了两种温度补偿方案,实现了折射率和温度的双参数同时测量或对温度的补偿;(4)结合磁流体的可控折射率特性,实现了新型干涉型宏弯光纤传感器在磁场测量中的应用。基于本文提出的新型干涉型宏弯光纤传感器,设计并制作了磁流体填充的新型干涉型宏弯干涉磁场传感器,设计搭建磁场测量系统,对其磁场响应性能进行测试分析。实验结果表明了该方法对磁场进行测量的可行性,磁场测量灵敏度约为83.3 pm/Oe。
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