高折射率液体环绕型光纤结构的微位移传感特性研究.pdf

哈尔滨工业大学理学硕士学位论文

摘要

干涉型传感器具有结构简单、灵敏度高、测试参量广泛等优点，一直以来

都是光纤传感领域的研究热点，其中基于反共振原理的光纤传感器以其制备简

单、成本低、响应速度快在干涉类传感器中脱颖而出。本论文设计了一种高折

射率液体环绕型光纤传感结构，利用该传感结构实现了对微位移和温度变化的

实时监测。具体工作如下：

设计并制备了一种基于反共振原理的高折射率液体环绕型光纤结构，并利

用该结构实现了对微位移变化的探测。对该传感结构进行了理论研究，模拟了

高折射率液体环绕型反共振光纤结构的透射光谱，推导了基于反共振原理的高

折射率液体环绕型光纤结构的位移灵敏度，理论模拟了不同位移下和不同玻璃

毛细管内径下的光场能量分布。对该结构进行了微位移传感实验，实验得到的

位移灵敏度与理论结果吻合。该光纤位移传感结构制备简单、结构紧凑，可以

在狭小的环境中对微位移变化进行高灵敏监测。

设计并制备了一种基于马赫-曾德尔干涉（MZI）原理的高折射率液体环

绕型光纤错位结构，实现了微位移的高精度传感。推导了高折射率液体包层与

无芯光纤传输的光的MZI的相关理论。制备了高折射率液体环绕型光纤错位

结构，对其进行了光谱测试，得到了对比度较大的透射光谱。对该结构的透射

光谱进行了快速傅里叶变换（FFT），提取仅有MZI成分的透射谱，在此基础

上，对该光纤错位结构进行位移传感测试，结果表明该光纤传感结构基于

MZI原理可实现更高精度的微位移传感。

设计并制备了一种基于多模干涉（MMI）和MZI的高折射率液体环绕型

光纤结构，实现了温度、位移双参数的传感。理论上分析了无芯光纤的自映像

效应，得到其在特定波长下的自映像长度。制备了不同长度无芯光纤的透射结

构，研究了不同长度无芯光纤对相应透射光谱的影响，结果表明随着无芯光纤

长度的增大，透射光谱的干涉谷增多。此外，研究了该传感结构的位移及温度

传感特性，可以利用该传感结构实现温度位移双参数传感，并利用温度位移双

参数传感矩阵解决了温度串扰问题。

关键词：液体包层；反共振；模式干涉；微位移传感；温度串扰

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哈尔滨工业大学理学硕士学位论文

Abstract

Interferencesensorshaveadvantagesofthesimplestructure,high

sensitivity,variousmeasurementparameters,etc.Ithasalwaysbeenaresearch

hotspotinthefieldofopticalfibersensing.Amongthem,opticalfibersensors

basedontheprincipleofanti-resonantreflectionstandoutinthefieldof

interferencesensorsbecauseofitssimplepreparation,lowcostandfast

responsespeed.Inthispaper,fibersensingstructuresurroundedbyhigh

refractiveindexliquidisfabricatedtorealizereal-timemonitoringofmicro-

displacementandtemperature.Thespecificworkisasfollows:

Basedontheanti-resonantrefle