● 摘要
温度和压力是基本的物理量。基于光纤的温度和压力传感技术具有许多独特的优点，是光纤传感的重点研究方向，在生物、医疗、火灾探测、石油、电力等行业领域具有重要的应用价值。双折射是光纤的一种本征特性，对温度、压力、弯曲和扭转等都较敏感，是实现本征型光纤传感的主要方式之一，基于偏振模干涉和偏振态演变，可以实现“传”和“感”一体的新型高性能本征光纤传感器。双折射光纤传感器具有灵敏度高、测量范围大、稳定性高等特点，并且探头设计灵活，具备很大的应用潜力。本论文对光纤双折射特性及其传感机理进行了理论研究和分析，建立了温度和压力传感模型；对传统的应力型保偏光纤和新型的形状型光子晶体光纤的双折射特性进行了分析和实验研究，实现了温度和压力传感；研究了混合Sagnac干涉仪偏光干涉理论，并以此为基础，针对电力、医疗和特殊环境温度压力监测等应用，开展了温度和压力传感器及系统研究。论文的工作包括以下主要内容：1、分析和总结了光纤中光的偏振状态及偏振模式干涉理论；对传统的应力型保偏光纤和新型的保偏光子晶体光纤的双折射特性进行了仿真研究；对偏振模的干涉特性进行了理论分析，建立了光纤中偏振模干涉模型。2、提出了一种基于混合Sagnac干涉仪的高精度保偏光纤拍长测量技术，并进行了实际测试研究，在稳定条件下，测量值的标准差优于0.001mm，为光纤双折射的高精度测试和研究提供了先进手段。基于混合Sagnac干涉仪，研究了保偏光子晶体光纤的压力传感和应力型保偏光纤的温度传感量特性。3、将混合型Sagnac干涉仪进行等效处理。得到反射型保偏光纤传感光路，以温度传感为目的，验证了其传感机理和特性；建立数学模型并并对传感头参数进行了优化。设计了微小型医用光纤温度传感器，测温精度达到±0.4℃。4、分析了典型结构的保偏光子晶体光纤双折射在温度场中的变化机理，研究了在固定波长下，双折射与光纤结构的相关性，首次发现通过优化小孔间距等参数，可实现双折射零温度敏感；对光子晶体光纤的模场特性进行了研究和定义，搭建了基于近场成像的光纤模场测试系统，实现了光子晶体光纤模场的观测；提出并实现了利用电弧放电的方式实现光子晶体光纤模场调整的方法。5、在此基础上，提出了基于模场匹配损耗的光子晶体光纤压力传感技术和基于混合Sagnac干涉仪的温度无关压力传感技术，并进行了实验研究，实现了高灵敏、大动态压力传感，并首次观察到结构中的压力松弛现象。6、分析了Sagnac形光纤传感器输出信号的在时域和频域的特点，研究并提出了基于强度和波长的信号检测方案，实现了温度和压力信号的解调；针对电力应用，研究了多路反射型光纤温度传感技术，研制出原型样机；基于信号特点，提出了一种简单实用的现场校准技术，实现了传感器的现场校准。8路温度传感器的精度达到±0.5℃。