可同时测量温度和应变的游标光纤传感器的研究

作     者：马丽娜 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：鲁敦科

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：光纤传感器 游标效应 温度和应变传感器 偏振干涉仪 Fabry-Perot干涉仪 

摘      要：环境中温度和应变的同时精确测量一直是建筑结构健康监测领域中的关键技术问题。传统的电子式传感器存在传输距离受限、容易受到电磁干扰的影响等弊端。相较而言,干涉式光纤传感器因具有响应速度快、抗电磁干扰能力强和灵敏度高等优点,在等众多领域都有良好的应用前景。随着现代社会的不断发展和进步,人们对传感器的灵敏度要求也在不断提高。因此,本文提出了一种基于游标效应的温度和应变传感器,主要由空腔Fabry-Perot干涉仪(Fabry-Perot interferometer,FPI)和反射式偏振干涉仪(Polarization interferometer,PI)构成,并分别从工作原理、传感测量实验等方面对提出的传感器的传感特性进行了细致研究。本文主要的研究结论包括: (1)通过实验测试得到了三种内径尺寸不同的空腔FPI反射光谱,发现空芯内径与光谱的消光比成反比关系。对于长度较短的空芯光纤(Hollow-core fiber,HCF),当内径与单模纤芯直径越接近,耦合损耗越低。FPI的温度传感测试结果表明,FPI温度灵敏度仅为0.0073 nm/℃,因此可以认为FPI对温度不敏感。 (2)通过对反射式PI进行Matlab数值仿真,发现偏振夹角为45°时,光谱的消光比为最大值;保偏光纤(Polarization-maintaining fiber,PMF)的双折射系数B与长度L和自由光谱范围成反比关系。PI的传感测量实验结果表明,温度灵敏度为-1.98 nm/℃,应变灵敏度为37.76 nm/με。 (3)为进一步提高灵敏度,将PI级联FPI构成游标传感器,其中将保偏光纤与空芯光纤直接熔接以提高结构的紧凑性。PMF作为传感元件,而FPI对温度不敏感可以作为参考干涉仪。通过对整个传感结构的光路进行理论分析与推导,并利用Matlab数值仿真对叠加光谱的特性进行研究,证明了所提出传感结构利用游标效应进行灵敏度放大的可行性。对提出的游标传感器进行温度和应变传感测量实验,结果表明两个包络谷点的温度灵敏度分别为-88.73 nm/℃、-71.85 nm/℃,应变灵敏度分别为1.61 nm/με和1.24 nm/με。由此构建灵敏度系数矩阵,并开展同时测量实验验证,结果表明所提出的传感器可实现对温度和应变的高精度同时测量。