摘要
光纤法布里-珀罗干涉仪（Fabry-PérotInterferometer，FPI）型传感器通过干涉原理把待测量作用在FPI的信息转换为光谱信息，从而实现参数测量。拥有体积小、灵敏度高等优点的FPI折射率传感器在生化检验、科学研究、食品加工等领域具有广阔的应用前景。随着传感技术研究的发展，光纤传感器的研究朝着高精度和高灵敏度深入。一方面，由于光纤FPI存在温度交叉敏感，折射率测量时温度引入的光谱响应降低了测量精度。简单有效的方法为利用级联FPI产生的两组光谱信息来消除温度交叉串扰。然而，目前关于级联FPI双参数测量传感器的研究仍然不够充分，它限制了级联FPI的应用。针对级联FPI双参数传感器存在的不足，本文提出基于内外腔结构的折射率温度同时测量传感器。另一方面，单FPI折射率传感器灵敏度不够，虽然游标效应可以实现灵敏度放大，但是它对光程匹配要求较高，传感器制备困难。针对灵敏度低和匹配困难的问题，本文提出基于谐波游标效应折射率传感器。 针对FPI存在的温度交叉敏感问题，本文提出折射率和温度同时测量传感器，该传感器基于级联FPI的内外腔结构。对于级联FPI理论不足的问题，本文建立内外腔的干涉模型，推导包络和精细条纹的灵敏度公式，证明该模型对折射率和温度同时测量的可行性。内外腔传感器由三段单模光纤错位熔接而成，其中错位熔接处形成开腔，切平的单模光纤段形成二氧化硅腔。在已知灵敏度系数矩阵的情况下通过追踪光谱的包络和精细条纹的漂移可以同时解调得到折射率和温度的变化，并消除折射率和温度间的交叉串扰。实验测得的包络和精细条纹的折射率灵敏分别为1010.935nm/RIU、124.608nm/RIU，包络和精细条纹的温度灵敏度分别为3.2pm/℃、9.5pm/℃。基于该方法的折射率测量将会比单FPI的方法准度更高。 针对单FPI传感器灵敏度低和传统游标效应光程匹配困难的问题，本文提出基于谐波游标效应的折射率传感器。该传感器同样为错位熔接的级联FPI结构。本文对谐波游标效应传感腔与参考腔光程比例和灵敏度的关系进行理论分析和数值模拟，模拟结果表明光程比例越大，灵敏度放大比例越高。同时对传感器进行实验验证，实验结果中最高的折射率灵敏度可达到-37905nm/RIU，与单FPI的传感腔相比，灵敏度放大33倍。
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