螺旋型光纤MZI研制及扭转传感应用

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随着社会的不断进步和科学技术的迅猛发展，工程质量监测和各项环境参数检测的需求不断提高。新型传感器的设计与研发正逐渐成为当今学术界以及工程界研究的热点。与传统的传感器相比较，光纤传感器因其具有结构灵巧、体小质轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温高压、可远程监测、可复用等优势，越来越多的被应用于各种外界参量的监测，在建筑桥梁、汽车船舶、石油化工、海天航海等等民用军用领域中有着巨大的应用前景。尤其是干涉仪型的光纤传感器，因其可以对多种外界参数进行大范围、快速且精确的动态测量，成为了此类研究的热点。而在此类光纤传感器中，光纤马赫-曾德尔干涉仪（MZI）是最有效、应用最广泛的结构形式之一；它的原理是利用外界参量对光纤信号臂中的光束进行调制，改变信号臂与参考臂之间的相位差，从而改变干涉仪输出信号，最终利用解调技术获取待测参量的实时变化情况。全光纤MZI则是将干涉仪的两路干涉臂以及分束合束装置集成在同一根光纤之中，使得器件更加集成化、智能化，因而近些年受到学术界以及工程界的广泛关注。
　　本文针对这一热点问题，从扭转矢量传感器设计的角度出发，提出两种新型的螺旋型光纤MZI扭转传感器，构建了模型、建立了分析理论，并进行了扭转传感实验，实验结果与理论预测基本相符。本文主要研究工作及其成果如下：
　　1.设计并制作出基于螺旋型光纤MZI的扭转传感器，从理论和实验上对其机理进行了分析和验证。理论上，研究了其干涉机理和扭转传感性能，分析显示传感器灵敏度与光纤螺旋的半径和螺距密切相关，随着螺距半径比的增加，灵敏度先增大后减小，在螺距半径比接近2.43时，其灵敏度达到最大值。实验上，分别制作了多个不同参数的螺旋MZI，在-9.39~+13.42 rad/m的测量范围内，测量的灵敏度最高可达1.691 nm·m/rad，且线性度良好。
　　2.设计并制作出基于微光纤螺旋MZI的扭转传感器，并在理论和实验上对其机理进行了分析和验证。理论上，研究了其干涉机理和扭转传感性能，分析显示引入微光纤后，光纤螺旋的双折射特性得到了放大，其扭转灵敏度会得到大幅提升。实验上，利用半径为12.5μm的微光纤制作螺旋MZI，在-2.35~+1.34 rad/m的扭转范围内，测量灵敏度可达12.66 nm·m/rad，扭转传感灵敏度提升了近10倍。该器件利用微光纤制作螺旋MZI，具有结构灵巧、灵敏度高、可双向扭转感测等特性。

著录项

作者
李新宇;
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作者单位

南开大学;

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授予单位南开大学;
学科光学工程
授予学位硕士
导师姓名张伟刚;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TP212.14;
关键词
光纤传感器; 螺旋MZI; 双向扭转; 干涉机理; 双折射特性;

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