【摘 要】
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干涉式光纤传感器因为具有可在恶劣环境中工作、结构紧凑、响应速度快和抗电磁干扰能力强等优越特性,在工业生产、环境和健康监测、能源安全等众多领域有良好的应用前景,是光学工程领域的研究热点。然而随着应用需求的不断提高,传统干涉式光纤传感器应用的局限性逐步显现,主要表现为灵敏度不够高、常常仅能实现单参量测量,且部分制作过程复杂、成本偏高也阻碍了其实用化进程。因此,设计制作灵敏度高、成本低、制作方法简单,且
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干涉式光纤传感器因为具有可在恶劣环境中工作、结构紧凑、响应速度快和抗电磁干扰能力强等优越特性,在工业生产、环境和健康监测、能源安全等众多领域有良好的应用前景,是光学工程领域的研究热点。然而随着应用需求的不断提高,传统干涉式光纤传感器应用的局限性逐步显现,主要表现为灵敏度不够高、常常仅能实现单参量测量,且部分制作过程复杂、成本偏高也阻碍了其实用化进程。因此,设计制作灵敏度高、成本低、制作方法简单,且能实现双参量测量的干涉式光纤传感器具有重要的意义。本文设计新型干涉结构,通过引入灵敏度系数矩阵,解决本类传感器常见的温度交叉敏感问题,实现双参量传感;通过级联一个自由光谱范围（Free spectral range,FSR）接近但不相等的参考干涉仪,利用光学游标效应放大检测灵敏度。主要研究的工作内容为以下几个方面:1.提出了一种基于一段细光纤（Thin fiber,TF）和两段细芯光纤（Thin core fiber,TCF）对芯熔接结构的在线型马赫曾德干涉式光纤传感器,用来同时测量折射率和液体中的温度或者空气中的温度和应变。通过光学仿真软件Rsoft优化设计合适的TF长度以及分析外界折射率和温度变化对该结构传感器的影响。分别搭建折射率、温度和应变实验测量平台,将干涉光谱中选定的不同波谷呈现的波长漂移量和对应的待测物理量变化进行线性拟合分析。实验结果测得传感器的折射率灵敏度为-174.357nm/RIU,测得的液体中的温度灵敏度和空气中的温度灵敏度分别为12.47pm/℃和26.19pm/℃,而其应变灵敏度可达到-3.43x10-4nm/με,将实验数据带入灵敏度系数矩阵公式,实现双参量测量。2.制作了一种新型具有游标效应的干涉式温度和应变光纤传感器,该传感器是由传感臂光纤塞格纳克干涉仪（Fiber Sagnac interferometer,FSI）级联参考臂偏振模干涉仪（Polarization mode interferometer,PMI）组成,其中FSI是在2x2 3d B的耦合器中夹入一段细保偏光纤（Thin polarization maintaining fiber,TPMF）构成,PMI是在起偏器的一侧熔接一段保偏光纤（Polarization maintaining fiber,PMF）构成。通过数值模拟软件MATLAB优化设计合适的TPMF长度和PMF长度以及分析级联之后传感器的放大倍数。分别搭建温度和应变实验测量平台,将干涉光谱中选定的不同波谷或包络呈现的波长漂移量和待测物理量变化进行线性拟合分析,实验结果表明级联传感器比单个FSI的温度灵敏度高17倍,应变灵敏度高16倍。综上所述,本文设计、制作并实验研究了两种基于新型干涉结构的光纤双参量传感器,具有灵敏度高,制作方法简单和成本低等特性,有望在航空航天,环境质检和医疗检测等领域应用。
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