双折射光子晶体光纤环镜传感灵敏度理论建模及实验研究

The sensitivity of fiber sensor to temperature and the measured variable directly affects the accuracy of the datum. Polarization-maintaining photonic crystal fiber loop mirror(PM-PCF FLM) is insensitive to temperature. But its sensing sensitivity is also low. So the project plans to study on the theoretical sensing sensitivity modeling and example of PM-PCF FLM. The detailed works are as following:.①We will deduce the theoretical modeling between the strain and the birefringence change of polarization-maintaining photonic crystal fiber(PM-PCF) and explore the structure design rules of PM-PCF with high strain dependent birefringence coefficient. .②We will deduce the theoretical strain sensitivity modeling of PM-PCF FLM. Then we will study the influences of the each factor in the modeling on the strain sensitivity by numerical simulation and seek the methods of improving the strain sensitivity of PM-PCF FLM..③We will experimentally investigate the influences of PM-PCF length and sensing length, the monitoring point wavelength, birefringence and the PM-PCF structure on the strain sensitivity. .Improving the sensitivity by changing the performance of PM-PCF FLM in the project will not increase the complexity and can realize temperature and the measured variable discrimination. PM-PCF FLM can provide the accurate datum for structural health monitoring.

光纤传感器普遍存在被测物理量和温度交叉敏感的问题，对数据测量的准确性造成很大影响，而双折射光子晶体光纤环镜传感器具有温度不敏感特性，可很大程度改善交叉敏感的问题，但同时其灵敏度也大为减小。本课题拟开展双折射光子晶体光纤环镜传感灵敏度理论模型及实验研究。内容包括：①建立应变与双折射光子晶体光纤双折射率变化的理论模型，探寻双折射应变系数较大的双折射光子晶体光纤结构设计规则；②建立双折射光子晶体光纤环镜应变灵敏度的理论模型，数值模拟各因素对双折射光子晶体光纤环镜应变灵敏度的影响，探寻提高双折射光子晶体光纤环镜应变灵敏度的方法。③实验研究双折射光子晶体光纤长度及传感长度、监测点波长、双折射率和光纤结构对双折射光子晶体光纤环镜应变灵敏度的影响。本项目通过改善双折射光子晶体光纤环镜自身性能提高灵敏度，无需增加系统复杂性即可解决被测物理量和温度交叉敏感的问题，为大型结构健康监测提供准确、可靠的数据。

课题研究了双折射光纤长度、双折射光纤双折射率、双折射光纤应变系数、监测点波长对双折射光纤环镜（PM-FLM）传感器灵敏度的影响。研究结果表明：对于相同PM-FLM，可以选择长波长监测点优化轴向应变灵敏度；对于双折射率相同的PM-FLM，可以选择双折射应变系数较大的PMF优化轴向应变灵敏度。对于双折射应变系数相同的PM-FLM，可以选择双折射率较小的PMF优化轴向应变灵敏度。PM-FLM传感器应变灵敏度与PMF长度无关。该方法无需增加系统复杂性，即可提高PM-FLM应变灵敏度，从而提高传感器对小幅度变化量的识别能力，降低传感器对测试设备精度的依赖，降低应用成本。研究了双折射光纤环镜传感器的解调原理并应用于振动测量。研究了双折射光纤长度对双折射光纤环镜传感器解调灵敏度的影响。研究结果表明：具有较长双折射光纤的双折射光纤环镜传感器，解调灵敏度较高，但测量范围较小。反之，具有较短双折射光纤的双折射光纤环镜传感器，解调灵敏度较高，但测量范围较大。用户可根据实际需求制作合适的PM-FLM传感器。 研究了光源对双折射光纤环镜传感器解调灵敏度的影响。结果表明：以高功率窄带光源作为输入光源的PM-FLM传感器具有较高的灵敏度，但同时具有较小的测量范围。反之亦然。在实际应用中，用户可以选择高功率窄带光源作为输入光源提高传感器灵敏度，选择低功率窄带光源作为输入光源扩大传感器测量范围。