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基于熔融拉锥方法增敏的光纤传感器制备及传感特性研究

摘要

锥形光纤传感器相比于其他光纤传感器具有稳定性强，控制方法简单，成本低廉等

优点，在光纤传感领域中占有一席之地。基于熔融拉锥设备所制备的光纤温度传感器和

光纤折射率传感器，在温度和折射率传感方面表现出了良好的传感特性。

首先，对熔融拉锥设备的工艺技术，锥形光纤结构的理论分析，传感机理进行介绍。

锥形结构包括熔锥形马赫曾德干涉仪；熔锥形二模光纤马赫曾德干涉仪；熔锥形长周期

光纤光栅；周期性的锥形单模光纤-多模光纤拼接结构。通过实验探究锥形光纤结构的灵

敏度特性，其中熔锥形MZI结构的温度灵敏度为47.82pm/°С，折射率灵敏度过低使得

光谱仪分辨率对其有一定的影响；熔锥形二模光纤MZI的温度灵敏度为56.92pm/°С，

折射率灵敏度过低，小于光谱仪分辨率；熔锥形LPFG的温度灵敏度为36.73pm/°С，折

射率灵敏度为-15.59nm/RIU；周期性的锥形SMF-MMF拼接结构的温度灵敏度过低，光

谱分辨率对其有影响，折射率灵敏度为273.20nm/RIU；实验结果显示灵敏度偏低，为

了增敏，提出了基于游标效应的双锥形马赫曾德干涉结构和平坦锥形二模光纤长周期光

纤光栅。

其次，为了提升温度灵敏度，利用游标效应原理，将两个双锥形马赫曾德干涉结构

级联。两个结构的锥之间的距离分别为4.6cm和3.5cm，其对应的光谱的FSR分别为

7.50nm和10.91nm。实验结果显示级联后的游标包络的温度灵敏度达到了197.90pm/°С，

相比单个双锥结构，温度灵敏度提高了3.58倍。

最后，为了提升折射率灵敏度，提出了基于平坦锥形二模光纤长周期光纤光栅折射

率计，成功解决了折射率灵敏度低的问题。该传感器的结构为二模光纤和单模光纤以固

定长度周期拼接，再进行熔融拉锥制得。做了不同特种光纤嵌入的光谱对比、不同长度

光谱对比、不同周期数目光谱对比、不同熔锥直径的折射率对比实验。得出拉锥的锥腰

直径越细，灵敏度越高的结论。锥腰直径最细的结构为36µm，其折射率灵敏度达到了

1360.64nm/RIU。结构的温度灵敏度为11.19pm/°С，温度对折射率的实验没有影响。

本文提出了基于熔融拉锥法制作的光纤传感器，不仅表现出了良好的传感特性，而

且对其提升灵敏度进行了实验研究，可以更加准确的测量实验物理量，提高测量精度。

关键词：熔融拉锥；光纤温度传感器；光纤折射率传感器；增敏

哈尔滨工程大学硕士学位论文

ABSTRACT

Comparedwithotheropticalfibersensors,taperedfibersensorhastheadvantagesof

strongstability,simplecontrolmethodandlowcost,soitoccupiesaplaceinthefieldofoptical

fibersensing.Fibertemperaturesensorandfiberrefractiveindexsensorbasedonfusedtapering

equipmentshowwonderfulsensingcharacteristicsintermsoftemperatureandrefractiveindex

sensing.

Firstofall,thetechnologyoffusedtaperingmethod,theoreticalanalysisandsensing

mechanismoftaperedfiberstructureareintroduced.Thetaperedfiberstructureincludesfused

taperedMach-Zehnder