边孔光纤传感特性及其应用研究

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边孔光纤是1986年首次提出并获得研究,其包层中纤芯两侧对称地分布着两个空气孔,具有比熊猫光纤更高的压力灵敏度。随后近30年来边孔光纤的传感特性及其应用研究受到愈来愈广泛的重视。本文研究了酒精灌注边孔光纤的干涉型温度传感器及边孔光纤光栅的传感特性,主要研究内容有:1、从几何结构和应力两方面理论推导分析光纤产生双折射的原理,在此基础上从几何结构角度对边孔光纤的双折射特性进行了分析;同时从几何结构角度分析边孔光纤光栅的温度传感特性。2、提出两种基于酒精灌注边孔光纤的干涉型温度传感器。一种是基于酒精灌注边孔光纤的Mach-Zehnder干涉型温度传感器,灌注酒精的保偏边孔光纤的两端与普通单模光纤熔接,光从单模光纤入射通过第一个熔接点时激发了包层模,激发的包层模与纤芯模发生了干涉。外界温度变化引起包层有效折射率发生改变,通过检测Mach-Zehnder干涉谱移动实现了温度传感,实验中采用的边孔光纤长度为8-cm,温度灵敏度为0.105nm/°C。另一种基于酒精灌注边孔光纤的Sagnac干涉型温度传感器,在光纤环镜Sagnac结构中插入一段灌注酒精的边孔光纤,外界温度变化引起灌注酒精的边孔光纤的双折射改变,通过检测光纤环境干涉谱移动实现了温度传感。所用边孔光纤的长度为15-cm,灵敏度为86.8pm/°C;这两种传感器结构简单、成本低,可以应用于温度测量。3、采用CO2激光脉冲技术在边孔光纤上写入长周期光纤光栅,对其温度、外界折射率和弯曲的传感特性进行测试。边孔光纤特殊的结构,使边孔光纤光栅具有优于普通单模光纤长周期光纤光栅的传感特性。实验结果表明,边孔光纤长周期光栅的温度灵敏度为-0.11nm/oC;其对外界折射率的敏感度随折射率升高而增加,越接近光纤包层的有效折射率灵敏度越高,测量范围为1.335-1.44;其谐振波长随弯曲曲率的增加线性红移,弯曲灵敏度具有较强的方向相关性,最大灵敏度达到9.36nm/m-1,这些优越的传感特性对其在光纤传感领域的应用提供了基础。4、提出一种基于边孔光纤布拉格光栅的同时测量应变和温度的传感器,在边孔光纤和普通单模光纤的熔接点处刻写布拉格光栅,刻写出来的两个Bragg波长对应变和温度的响应不同,实现了温度和应变的同时测量,区分了应变、温度,测量精度为±10με、±1oC。同时在保偏SHF上刻写FBG,测试了其温度、应变特性,两个布拉格波长对应变的灵敏度为0.5pm/με,对温度的灵敏度分别为9.3pm/oC和9.6pm/oC。在单模SHF和普通单模光纤的熔接点处刻写FBG,此种方法结构简单、成本低有效地消除了FBG的应变、温度交叉敏感问题。
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