基于环形波导和空芯布拉格光结构的液位_折射率传感研究.pdf

哈尔滨工业大学理学硕士学位论文

摘要

近年来，光纤液位和折射率传感器在实时监测汽油、化学试剂等易燃易爆

易腐蚀类液体的储存量和成分变化方面发挥着重要作用。由于光在环形波导和

空芯布拉格光纤中能够长距离传输，因此，利用环形波导和空芯布拉格光纤制

备的传感器可实现大范围液位传感，且上述传感器对外界液位和折射率变化响

应不同，将其并联可实现液位折射率双参数同步传感。本文设计并制备了基于

环形波导和空芯布拉格光纤的液位传感结构，并通过理论和实验研究了这两种

传感结构的液位和折射率传感特性，通过将其并联实现了液位和折射率双参数

同步传感。具体工作如下：

设计并制备了一种基于环形波导的液位传感结构，利用环形波导传输损耗

低的特性，实现了大范围液位传感。理论模拟了低阶波导模式有效折射率和不

同内径的环形波导模式能量分布，结合模式干涉理论，分析了结构的液位传感

特性。研究了外界环境温度和环形波导内径对结构传感特性的影响，实验测得，

当环形波导内径为50μm时，液位传感结构的液位灵敏度为10.1nm/cm，且环

形波导内径越大，传感结构的液位灵敏度越高。该传感结构制备成本低、机械

强度高，能够实现大范围液位传感和较低的温度串扰。

设计并制备了一种基于空芯布拉格光纤的液位传感结构，利用光子带隙结

构将光束缚在空气芯中，实现了大范围液位传感，通过强度解调，降低了解调

成本。理论推导了光子带隙结构对空芯布拉格光纤传输性能的影响，基于反共

振反射光波导机制，分析了液位传感特性。对该结构进行了液位传感测试，液

位灵敏度为−11.229dB/cm，实现了较大范围的液位传感，且温度串扰极低。该

传感结构制备简单、机械强度高，且通过强度解调，降低了解调成本。

设计并制备了一种基于交叉解调的并联结构，实现了液位和折射率同步传

感。理论分析了并联结构中两传感结构的折射率传感特性，对并联结构进行液

位折射率同步传感测试，结果表明，基于环形波导的液位传感结构的液位灵敏

度与折射率呈三阶多项式关系，基于空芯布拉格光纤的液位传感结构的液位灵

敏度不受折射率影响。将两传感结构并联，结合波长-液位-折射率解调方程实现

了液位和折射率双参数同步传感。该并联结构可同时实现大范围液位和高折射

率传感，通过直接测量液位和折射率减小了测量误差。

关键词：模式干涉；反共振反射光波导；液位传感；折射率传感；双参数传感

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Abstract

Inrecentyears,opticalfiberliquidlevelandrefractiveindexsensorshaveplayedan

importantroleinreal-timemonitoringthestorageandcompositionchangesofinflammable,

explosiveandcorrosiveliquidssuchasgasolineandchemicalreagents.Sincelightcanbe

transmittedoveralongdistanceintheannularwaveguideandhollowBraggfiber,the

sensorsfabricatedbytheannularwaveguideandhollowcoreBraggfibercanrealizeawide

rangeofliquidlevelsensing.Moreover,thesensorshavedifferentresponsestothechanges

ofexternalliquidlevelandrefractiveindex,sothedualparametersynchronoussensingof

liquidlevelandrefractiveindexcanberealizedby