基于两种温度响应特性相反光纤的温度光纤传感器研究

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随着时代的发展,光纤传感器由于结构简单、精度高、电绝缘、抗干扰能力强等优异性能,被广泛应用于建筑安全、桥梁监控和航空航天等领域。其中模间干涉型光纤传感器由于在单根光纤内就可以达成干涉条件,对比于传统干涉型传感器,其结构更为紧凑、设计更加灵活、成本相对也更低。因此,模间干涉型光纤传感器在测量温度、扭转、应变和折射率等重要参数方面引起了研究者的广泛关注。在非温度参数测量的过程中,为了有效抑制模间干涉型光纤传感器温度和其他测量量的交叉敏感性,需要降低光纤传感器的温度灵敏度;而在温度参数测量的过程中,希望能够有效提升光纤传感器的温度检测灵敏度。因此,开发出一种温度响应灵敏度可控的模间干涉型光纤传感器将是一件非常有意义的工作,本论文基于此开展了如下研究工作:1.基于两种温度响应特性相反的光纤,提出了可以调控模间干涉型光纤传感器温度灵敏度的方法,并制备出了温度不敏感传感器。基于单模光纤和光敏光纤对温度的响应特性相反,本论文通过调节传感器传感部分光敏光纤与单模光纤的比例,成功地控制了传感器的温度灵敏度,最高可达-192 pm/°C,最低仅有-2.6 pm/°C。基于此方法成功制备出了温度不敏感传感器,并将该方法应用于扭转参数的测量,从实验上验证了调控传感器温度灵敏度的方法对扭转参数的测量没有干扰。此调控传感器温度灵敏度的方法不仅操作简单,成本低,而且方法的原理在模间干涉型光纤传感器的应用中具有通用性,可以应用于更多的模间干涉型光纤传感器。2.基于级联的马赫-曾德尔干涉仪,提出了一种高灵敏光纤温度传感器,此传感器具有增强的游标效应。干涉仪由级联的双锥组成,两个干涉仪的传感部分分别为光敏光纤和单模光纤。基于游标效应的温度传感器,如果两个干涉仪对温度的响应特性一致,会降低游标效应的温度灵敏度。为了保证传感器的高灵敏度,需要对两个干涉仪的其中之一进行脱敏处理,使其作为参考干涉仪。脱敏需要特殊的光纤或结构,又或是对参考干涉仪进行封装处理,增加了系统的复杂性。而本论文制备的传感器,两个干涉仪对温度的响应特性相反,因此不仅会增强游标效应的温度灵敏度,而且结构简单,不需要复杂的工作条件。本论文制备了四个由单模光纤组成的干涉仪,传感部分长度分别为10.2cm、10.6 cm、10.9 cm和11 cm。将它们分别与传感部分由光敏光纤组成,长度为10.4 cm的干涉仪级联,得到四个温度传感器。实验表明,单个单模光纤干涉仪的温度灵敏度为0.045 nm/°C,单个光敏光纤干涉仪的温度灵敏度为-0.169 nm/°C。级联的四个传感器的温度灵敏度分别为-2.002 nm/°C、-2.524 nm/°C、-4.167 nm/°C和-5.588 nm/°C,灵敏度相对于单一光敏光纤干涉仪放大了约12倍、15倍、25倍和34倍,温度响应灵敏度得到了显著提升。
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