【摘 要】
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光纤传感器可以实现对温度、应变、压力、震动等外界物理量的监测。在具体的实际应用中,光纤传感器无法避免的会受到多个物理量的同时作用,因此产生参量间的交叉敏感问题,进而影响到传感器在应用测量中的准确度。本论文首先设计了单参量敏感的光纤传感器,在一定程度上解决了温度和应变的交叉敏感问题。其次,在解决交叉敏感问题的基础上,设计可同时测量两个参量的双参量光纤传感器。最后,设计了可同时测量温度、应变及折射率的
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光纤传感器可以实现对温度、应变、压力、震动等外界物理量的监测。在具体的实际应用中,光纤传感器无法避免的会受到多个物理量的同时作用,因此产生参量间的交叉敏感问题,进而影响到传感器在应用测量中的准确度。本论文首先设计了单参量敏感的光纤传感器,在一定程度上解决了温度和应变的交叉敏感问题。其次,在解决交叉敏感问题的基础上,设计可同时测量两个参量的双参量光纤传感器。最后,设计了可同时测量温度、应变及折射率的三参量光纤传感器。论文的主要研究工作与创新点总结如下:1.实验制作了一种基于少模光纤（FMF）温度不敏感的应变光纤传感器,该传感器具有FMF-FMF-FMF级联结构,采用偏芯熔接的方法进行制作。研究结果表明,在波长漂移方面分析,当应变在0με到700με范围内变化时,应变灵敏度为-3.13pm/με,线性相关系数值为0.994。当温度在20-40℃范围内变化时,波长最大漂移量为5pm/℃;当温度在40-60℃范围内变化时,波长不发生漂移。因此,该应变光纤传感器在40-60℃环境温度下不存在交叉敏感性问题。所制作应变光纤传感器不仅可以提高不同环境温度下的应变测量分辨率,并且具有结构紧凑、易于铺设的优点。2.设计并实验证明了一种由少模光纤和光子晶体光纤（PCF）组成的应变不敏感温度传感器。该传感器具有FMF-PCF-FMF混合光纤结构,该结构可由熔接机自动熔接方式制作,这样大幅提高了传感器的鲁棒性。此外,两端对称的结构使传感头不受光束入射方向的限制,大大提高了传感器的灵活性。实验结果表明,在温度范围为20-80℃时,所提出的光纤传感器的温度灵敏度高达38.6pm/℃。同时,当应变在0με到3000με范围内变化时,该传感器的应变灵敏度可低至-0.45pm/με,这表明该传感器对应变不敏感。所设计的温度光纤传感器同时具有较高的温度灵敏度及超低的应变灵敏度,且其结构紧凑,制造简单方便、鲁棒性好,在石油管线及电缆火灾预警监测方面具有较大的应用前景。3.基于少模光纤和光纤布拉格光栅（FBG）组合制作了一种双参量光纤传感器,可以同时测量应变和温度两个物理参量。该传感器的光束从单模光纤（SMF）入射并从FBG输出,具有SMF-FMF-FBG的混合光纤结构。测试结果表明,传感器的传输光谱具有消光比高达23d B的谐振峰。在应变从0με到450με范围内变化,谐振峰的应变灵敏度为-2pm/με,线性相关系数值为0.998。在温度从-10℃到30℃变化范围内,谐振峰的温度灵敏度为-47pm/℃,线性相关系数值为0.995。所制作的双参量光纤传感器具有制造简单、制作成本较低、温度及应变灵敏度高、线性度好等优点,为光纤双参量传感器的设计提供了参考。4.设计了一种由无芯光纤（NCF）和双芯光纤（TCF）组成的高灵敏度双参量光纤传感器,可同时进行测量应变和温度。该传感器具有NCF-TCF-NCF-TCFNCF的混合对称结构。在应变从0με到600με变化范围内,传感器谐振峰A的应变灵敏度为-5.46pm/με,线性相关系数值为0.985。当温度在35℃到60℃范围内变化,谐振峰A的温度灵敏度为48.6pm/℃,线性相关系数值为0.958。通过对比可知,NCF-TCF-NCF-TCF-NCF的混合对称结构可以进一步提高应变和温度的双参量光纤传感器的温度灵敏度及应变灵敏度。所设计的双参量光纤传感器在高灵敏度应变和温度的双参量监测领域具有极大的应用潜力。5.设计并实验制作一种基于NCF-FMF-NCF对称结构的多参量光纤传感器,能够同时测量应变、温度和液体折射率（RI）。从测试的传输分析,该传感器具有三个谐振峰,根据这三个谐振峰对应变、温度和折射率的不同敏感性反应即可实现三参量传感测量。实验结果表明,当应变在0με到1400με范围内变化,三个谐振峰的应变灵敏度分别为-3.5pm/με,-1.9pm/με和-4.1pm/με。温度从35℃增加到55℃时,三个谐振峰的温度灵敏度分别为162pm/℃,194pm/℃和162pm/℃。当甘油溶液的折射率从1.3707增加到1.39809时,三个谐振峰的折射率灵敏度分别为22.9pm/RIU,24.6pm/RIU和97pm/RIU。基于多参量传感器测量原理,最后可得该传感器在波长分辨率为50pm时,其应变、温度和折射率测量分辨率分别为50.155με、0.685°C和1.755RIU。所制作的三参量光纤传感器具有体积小、配置简单、结构紧凑、灵敏度高等优点,在应变、温度和折射率三参量传感探测领域表现出巨大的应用潜力。
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