1. 研究目的与意义
| 与传统的化学、电传感器相比，光纤传感器具灵敏度高、绝缘度高抗电磁干扰能力强、轻质、柔韧、耐腐蚀、耐高温等诸多优点，随着社会的发展与需求，光纤传感技术得到更广泛的应用，例如对温度、折射率、浓度、湿度和应变等多种物理参数的测量。其中对温度参数的测量研究是当前的研究热点之一。比如朗婷婷等制作了基于马赫-曾德尔干涉的温度和应变同时测量的光纤传感器，其结构是在单模光纤（SMF）上分别熔接两个球形结构并在SMF光纤中间熔接一段细芯光纤（TCSMF）。利用光纤的纤芯模、包层模对温度、应变的灵敏度差异，通过检测不同几次的干涉谷的特征波长位移变化，结合敏感矩阵实现了对温度、应变双参数的同时测量。童峥嵘等制作了基于腐蚀型多模光纤的干涉型传感器实现温度和液位同时测量在芯径为50micro;m的MMF1左侧熔接一段被腐蚀的芯径为105micro;m的大芯径MMF2构成传感区域。实验中，MMF2的包层采用HF溶液腐蚀的方法去除。由于纤芯失配,两段MMF内部均产生多种纤芯模式，它们之间相互干涉，随之产生一系列具有不同灵敏特性的干涉峰。利用干涉谱中不同波谷对温度和液位的灵敏度差异，实现对温度和液位的同时测量。浙江大学现代光学仪器国家重点实验室制作了基于迈克尔逊干涉的光纤弯曲传感器，该光纤弯曲传感器由两根光纤组成的光纤带固定于弹性弯曲结构上来产生迈克尔逊干涉信号, 用光纤折射率匹配液填充微型腔, 并施加音频振荡信号对相位干涉信号实现低频调制。采用相位生成载波技术对相位干涉信号进行调制和解调, 实现了对曲率变化高精确度的检测。 光纤测温是上世纪70年代发展起来的一门新兴测温技术，与传统的温度传感器相比具有很多优点：光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，已被各种光探测器件接受，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配，光纤工作频率宽，动态范围大，是一种低损耗传输线，光纤本身不带电，体积小质量轻，易弯曲，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。 本课题提出一种基于马赫-曾德尔干涉的球形结构光纤温度传感器，使得该传感器相比现今的各种测量温度的光纤传感器，具有更简单的结构、成本低、体积小和测量结果可靠、稳定强、具备较高的灵敏度等优势。
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2. 研究内容与预期目标
| 2.1主要内容 2.1.1传感器的原理 下图为本课题提出的传感器结构示意图。当光当光传送到输入球形结构时，一部分光耦合进入ＳＭＦ包层，激发产生高阶模即包层模，还有一部分进入ＳＭＦ纤芯以纤芯模形式传输。由于包层模有效折射率与纤芯模有效折射率不同，因此包层与纤芯中传输的光会产生光程差，在输出球形结构处纤芯模和包层模耦合发生马赫－曾德尔干涉。
图1 光纤传感器结构示意图 2.1.2传感器的制作 经由光纤熔接机，在SMF两端各制作一个球形结构，然后熔接到单模光纤上，构成图一所示的光纤传感器。 2.1.3传感器实验 下图为传感器的温度实验装置。将传感器放入恒温箱里，从宽带光源发出光源经过传感器后，由光谱仪采集。
图2温度测量实验装置 2.2预期目标 实验的最终目标是设计一个较优的光纤温度传感器，并分析各类实验数据，得出使得该光纤传感器的灵敏度最佳时的单模光纤长度。实现一个更简单的结构、成本低、体积小，且能够重复使用的光纤温度传感器。
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3. 研究方法与步骤
| 本课题主要采用查阅参考文献的方法来了解传感器的原理、制作以及实验等。 3.1研究原理 3.1.1光纤传感基本原理 光纤传感器是利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性（强度、相位、偏振态、频率、波长）改变的传感器。光纤传感器一般由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器等组成（如图3所示）。其基本工作原理是将来自光源的光经过入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测量相互作用，使光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。
图3 光纤传感器的一般构成 3.1.2马赫-曾德尔干涉原理 M-Z干涉仪原理图如图4所示。结构上，M-Z光纤干涉仪主要由2个3dB耦合器和2段光纤L1和L2组成，其中L1称为信号臂，L2称为参考臂。光源发出的光经耦合器1时被分成2束，一束经过信号臂L1，一束经过参考臂L2，然后在耦合器2处发生干涉，在输出端观察干涉图样。
图4 M-Z 干涉仪的结构
3.2研究传感器的制作 通过光纤熔接机（Fujikura,FSM-60S），在SMF两端各制作一个球形结构，在制作球形端过程中，光纤末端超出电击棒一定距离，放电一段时间，电弧放电使光纤端面软化成一个球形，然后熔接到长度为L的单模光纤上。所设计的输入和输出球形结构尺寸的误差应小于4%，且制作过程能重复。 3.3研究温度传感器的实验 将传感器置入恒温箱内，并用夹具将传感器拉直，将传感器的两端分别与光谱仪（OSA）和宽带光源（BBS）相连接。从宽带光源发出的光经过传感器后，由光谱仪采集，通过改变恒温箱的温度，实现对光纤传感器加热的目的。通过观察并记录透射光谱中干涉峰波长和强度的变化情况。 |
4. 参考文献
| 【1】梁明玉，郎婷婷，基于马赫－曾德尔干涉的球形结构光纤温度传感器，光电子 激光，2016（12）：1256-1259. 【2】卞继城，郎婷婷，俞文杰，孔文.基于马赫－曾德尔干涉的温度和应变同时测量的光纤传感器研究［Ｊ］．光电子激光,2015(11):2170-2174. 【3】曹丽丹，刘昕，乔飞帆，刘维.基于全光纤马赫 － 曾德尔干涉仪的压力和温度传感实验[J].光学与光电技术，2015(3):35-37. 【4】林巧,陈柳华,李书,吴兴坤。基于迈克尔逊干涉的光纤弯曲传感器[J].光子学报，2011(02):252-254. 【5】童峥嵘，杨娇，曹晔，等．基于腐蚀型多模光纤的干涉型传感器实现温度和液位同时测量［Ｊ］．光电子激光，2014.25(1):118-22. 【6】原安娟,柴常.基于迈克尔逊干涉原理的光纤传感器研究[J].山西大同大学学报(自然科学版),2008(01):30-31. 【7】Amaeal L M N,Frazao O,Santos J L,rt al.Fiber-Optic inclinometer based on taper michelson interferometer[J].IEEE Sensors Journal,2011,11(9):1811-1814. 【8】LIU Yun,LIU Zi-geng,CHEN Shi-meng,et al.Microcapillary-based high-senitivity and wavelength-tunable opticaltemperature sensor[J].IEEE Photonics Technology Letters,2015,27(4):447-450. 【9】Zhigang Cao, Zhao Zhang, Xiaochun Ji, Tao Shui, Rui Wang, Chenchen Yin, ShenglaiZhen, Liang Lu, Benli Yu.Strain-insensitive and high temperature #64257;ber sensor based on a Mach–Zehnder modal interferometer [J].Optical Fiber Technology,2014,20(1):24-27. 【10】陈勇,王坤.马赫-曾德尔干涉仪的应用研究[J].数字通信,2012(06):18-20. 【11】卞继城,郎婷婷,董新永,陈学文,田富鹏.基于马赫－ 曾德尔干涉仪的保偏光纤温度传感器研究[J].光电子激光,2016(07):688-691. 【12】赵娜,傅海威,邵敏,李辉栋,刘颖刚,乔学光.基于光纤粗锥型马赫－曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制[J].光谱学与光谱分析,2014(06):1723-1726. |
5. 工作计划
| 进度安排 （1） 2022-03-05~2022-03-08 查阅论文资料，了解相关论文 （2）2022-03-09~2022-03-12撰写开题报告 （3）2022-03-13~2022-03-20方案设计与外文翻译 （4）2022-03-21~2022-04-20光纤温度传感器的制作 （5）2022-04-21~2022-05-20实验调试与论文初稿撰写 （6）2022-05-21~2022-06-10完成毕业论文全部资料并参加毕业论文答辩 |
