基于锥型光纤模间干涉效应的光纤传感器的研究

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光纤技术的发展使光纤已经可以作为传感器运用在很多方面,并且具有传统传感器所不具备的一些独特特性,例如抗电磁干扰、体积小、质量轻、防腐蚀、灵敏度高、检测设备可以远程测量等特点,其中基于模间干涉的光纤传感器,凭借其构造简单,测量方便等特点成为研究的热点之一。  本文提出了一种新的基于模间干涉效应的光纤传感结构(半锥—单模/多模光纤—半锥)。通过对该结构的理论分析,研究该结构作为传感器的可能性以及影响传感性能的主要原因。接着利用光束传输法对半锥-单模/多模光纤-半锥结构进行了模拟分析。模拟发现半锥-单模光纤-半锥结构能够作为折射率传感器、温度传感器和应变传感器。进一步研究发现,其在作为折射率传感器时,锥顶直径越小,灵敏度越高;中间单模光纤长度对灵敏度影响不大,但是特征波长之间的距离会随着两半锥间光纤长度的增加而减小。但是在其作为温度传感器时,结构参数对灵敏度的影响不大。最后,模拟还发现其具有作为应变传感器可能性。在对半锥-多模光纤-半锥结构的模拟中,发现锥顶直径和中间多模光纤长度对其作为折射率传感器的影响很大,发现锥顶直径越小,中间多模光纤越短,灵敏度越高。同样,模拟还发现其也具有作为应变传感器的可能。  在实验中,通过拉锥机拉锥之后,利用手动熔接模式并调整参数,制成了半锥-单模/多模光纤-半锥结构,并进行了实验分析。在半锥-单模光纤-半锥结构中,与模拟一样特征波长之间的距离会随着两半锥间的光纤长度的增加而减小。通过改变覆盖在传感结构周围溶液的浓度,观察特征波长移动,研究传感结构对折射率的响应特性,发现锥顶直径越小,其作为折射率灵敏度越高。但是,在其作为温度传感器时,结构参数的改变对其传感性能的影响并不大。采用同样的方法,在半锥-多模光纤-半锥结构作为折射率传感器时,发现锥顶直径越小,中间多模光纤越短,其作为折射率传感器的灵敏度越高。此时的灵敏度比半锥-单模光纤-半锥结构要好的多。并且对两种结构作为折射率传感器之间的差异进行分析。实验还验证两种结构作为应变传感器的可能性,发现其能够承受较大的应变,同时灵敏度相对于普通单模-多模-单模传感器更为灵敏。最后简化结构,制成了反射型半锥-单模/多模光纤传感结构。在实验中两种结构作为传感器时的变化规律与理论的分析和模拟的结果基本一致。
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