基于模间干涉原理的多芯少模光纤传感器的研制

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1、基于模间干涉原理的多芯少模光纤传感器的研制Studyofmulti-corefew-modefiberopticsensorbasedonmodalinterference工程领域：光学工程作者姓名：陈静指导教师：贾大功副教授企业导师：张英高级工程师天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年四月万方数据万方数据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

2、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：年月日万

3、方数据万方数据摘要弯曲方向、位置和横向力是工程应用中的重要物理参数，在复合材料结构的实时监测、微机电系统装配、骨外伤康复等领域中都需要对上述参数重点监测。目前对于弯曲位置、弯曲方向和横向力光纤传感器的研究中存在系统复杂、方向角分辨率低、横向力测量灵敏度低等问题。为解决上述问题，本文提出了用于测量弯曲方向、角度和横向力大小、方向的多芯少模光纤传感器。多芯少模光纤传感器的优势在于该传感器不仅具有一般光纤传感器化学稳定性强、抗电磁辐射、传输损耗小、鲁棒性高、对人体和环境无害的普遍特性，并且可以实现多参量测量和

4、角度测量。该多芯少模光纤传感器基于模间干涉原理，具有结构紧凑且测量灵敏度高的优点。具体研究内容包括：1、提出了单模-少模-单模结构的多芯少模光纤弯曲位置传感器，分析了多芯少模光纤中的模间干涉理论，建立了该传感器的位置传感原理，理论分析了弯曲位置、弯曲深度、光纤长度的变化对特征波长变化量的影响。搭建了弯曲位置测量实验平台，进行了弯曲位置传感实验，得到了空间分辨率最高可以达到0.19mm、灵敏度最高可达1066.5pm/cm的弯曲位置传感器；2、提出了多芯少模光纤弯曲方向传感器，建立了该传感器的方向传感理论

5、模型，基于该模型给出了弯曲方向的测量方法，搭建弯曲方向传感器实验系统以验证建立模型的可行性，测试结果表明：弯曲方向传感器能够精确测量弯曲方向角，且分辨率最高可以达到1°；结合弯曲位置和弯曲方向传感器的测量原理，提出了同时测量弯曲方向和弯曲位置的多芯少模光纤传感器的理论模型，并进行实验验证，实验结果表明，传感器同时实现了误差为0.83mm的位置测量和误差为1.33°的方向测量；3、提出了多芯少模光纤横向力和横向力方向传感器，分别建立了基于多芯少模光纤的横向力传感器和横向力方向传感器的理论模型，分析了横向力

6、、光纤包层直径和特征波长对干涉光谱特征波长变化量的影响，搭建横向力传感器和横向力方向传感器实验系统，并测试传感器性能。测试结果表明，对于初始长度为12.0cm的多芯少模光纤，传感器的测试范围为0~0.030N时，传感器的灵敏度为-24.54nm/N；当横向力为0.020N时，横向力方向角的测量误差为1.36°。关键词：光纤传感器；多芯少模光纤；模间干涉；弯曲；横向力1万方数据2万方数据ABSTRACTBendingdirection,bendingpositionandlateralforceareim

7、portantphysicalparameterswhichshouldbepreciselymeasuredinengineeringapplication,suchascompositestructuresmonitoring,MEMSassembly,boneinjuryrehabilitationandmanyotherfields.Thereareproblemsinthepresentresearchofbendingposition,bendingdirectionandlateralfo

8、rceopticalfibersensor,suchascomplexsystem,lowprecisionofdirectionanglemeasurementandlowmeasurementsensitivityoflateralforce.Inordertosolveaboveproblems,amulti-corefew-modefiberopticsensorforbendingdirection,bendingposition