多芯少模光纤位移和曲率传感器的研究

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1、多芯少模光纤位移和曲率传感器的研究TheStudyofDisplacementandCurvatureSensorBasedonFew-ModeMulti-CoreFiber学科专业：光学工程研究生：张玉龙指导教师：贾大功副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一四年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签

2、名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要光纤传感器凭借其抗电磁干扰、质量轻、耐腐蚀等优点，得到了广泛的研究和应用。当前对于光纤传感器的研究已取得了很大的进展，且对其研究还在不断地深入，新的传感机理及传感器不断被提出。多芯少模光纤是一种新型传输光纤，被用来

3、满足由于网络用户飞速增长带来的超大带宽需求。利用多芯少模光纤的光信号传输理论已成为光纤通信领域的一个研究热点。该光纤具有传输容量大、单根光纤传输信道多、低的非线性、低的模式色散、几个模式在光纤中同时传输等优点，在光通信领域备受关注。由于该光纤具有良好的模式传输性能，基于模式干涉原理利用该类型光纤可实现对外界物理量的探测。该类型光纤传感器的研究有助于光纤传感技术应用领域的扩展。本论文的主要目的是基于模式干涉原理利用多芯少模光纤设计两种光纤传感器，一种是光纤位移传感器，另一种是光纤弯曲曲率传感器。论文主要内容如下：建立了多芯少模光纤传感器模型，分析了传感器灵敏度的影响因素；并研究了多芯少模光纤传

4、输模式激励的方式。基于上述理论模型，设计了一种光纤位移传感器。该传感器由两段单模光纤和一段多芯少模光纤构成。分析了光纤参数和传感器结构参数对传感器性能的影响，并测试该光纤传感器的性能。实验结果表明当光纤轴向位移变化量为0-60μm时，该新型传感器的检测灵敏度为-61.17pm/μm，与理论计算结果之间的误差小于3.9%。利用该光纤多芯的特点，提出一种消除温度干扰的弯曲曲率传感器，并测试-1该传感器性能。实验结果表明该新型光纤传感器在0-4.5m弯曲曲率范围内，不-1-1同纤芯的组合下可得到的传感器测试灵敏度依次为137.0pm/m、103.0pm/m、-1-168.0pm/m和30.8pm/

5、m，该结果与理论计算相符；此外实验测试了温度对曲率测量的影响，实验结果表明同一弯曲状态不同温度下，测量的弯曲曲率基本不变，也就是曲率的测量可消除不受温度的影响。关键词：多芯少模光纤，模式干涉理论，模式选择性激励，位移传感器，弯曲曲率传感器AbstractFiberopticssensorshavemanyadvantagessuchasimmunetoelectromagneticinterference,lightweight,andcorrosionresistanceandsoon.Thiskindofsensorshasbeenwidelyinvestigated,andmanyki

6、ndsofsensorshavebeenproposed.Few-modemulti-corefiber(FM-MCF)isanewtypeoftransmissionmedium,whichisusedtosatisfytherapidgrowthofbandwidth.OpticalsignaltransmissiontheoryofFM-MCFhasbecomearesearchfocusincommunicationfield.TheFM-MCFhasalargecapacity,multi-channelinonefiber,lowernonlinear,lowermodedisp

7、ersion,andseveralmodescanpropagateinonecoreatthesametime.TheFM-MCFattractsmanyattentionsincommunicationfield.TheFM-MCFnotonlyhasagoodperformanceofmodetransmissionbutalsocanmeasurethephysicalparametersbasedo