摘要
随着全球经济的迅速增长，我国对煤炭资源的需求量进一步增加。浅部煤炭资源已难以满足经济发展需求，大规模开采深部煤炭资源成为我国煤炭工业发展的必然趋势。但在开采过程中存在许多潜在的安全隐患，如未及时发现可能会造成重大人员伤亡和经济损失。目前，煤矿监测系统主要采用传统的电学传感器。但电学传感器存在着前端需供电、易受电磁干扰、传输距离短等问题，应用于煤矿等易燃易爆的环境中有局限性。而光纤传感器具有前端无电、抗电磁干扰、灵敏度高和精度高等优势，非常适用于煤矿安全管理监测系统。而对于煤矿安全管理监测来说，温度和应变又是两个非常重要的参数。 本文深入研究了提高光纤传感器温度和应变灵敏度的方法，设计并制作了两种光纤温度和应变传感器，分别将细芯保偏光纤(Thin-CorePolarizationMaintainingFiber,TPMF)和TPMF-细芯光敏光纤(Thin-CorePhotosensitizerFiber,TPSF)结构引入光纤赛格纳克干涉仪(FiberSagnacInterferometer,FSI)。此外，为了进一步提高传感器的温度和应变灵敏度，提出了一种基于FSI和偏振模干涉仪(PolarizationModeInterferometer,PMI)级联结构的高灵敏光纤温度和应变传感器。这三种传感结构都使温度和应变灵敏度显著提高。 研究内容如下： 1.制作了一种基于TPMF的灵敏度增强的光纤Sagnac温度和应变传感器。利用TPMF与不同芯径的光纤熔接时的纤芯失配，通过实验研究了不同TPMF长度对温度和应变灵敏度的影响。结果表明，TPMF长度对该传感器温度灵敏度有明显影响，对应变灵敏度基本无影响。当TPMF的长度为3cm时，可获得最高温度灵敏度(-1.70nm/℃)；当TPMF的长度为15cm时，可获得最低温度灵敏度(-1.52nm/℃)，当TPMF的长度为12cm时，此时的应变灵敏度最高，为23.07pm/με。 2.制作一种基于纤芯失配的光纤Sagnac温度和应变传感器，该传感器由TPMF与TPSF熔接并引入Sagnac制成。利用Ge-B共掺TPSF和不同芯径的光纤熔接时的纤芯失配，通过实验研究了不同TPSF长度对温度和应变灵敏度的影响。TPMF的长度不变，始终为10cm。结果表明，TPSF长度对该传感器的温度灵敏度有明显影响，但对应变灵敏度基本无影响。当TPSF的长度为12cm时，可获得最高温度灵敏度(-1.93nm/℃)；当TPSF的长度为16cm时，可获得最低温度灵敏度(-1.46nm/℃)，此时的应变灵敏度最高，为36.92pm/με。 3.提出了一种将椭圆芯保偏光纤(Ellipticalcorepolarizationmaintainingfiber，ECPMF)引入Sagnac环内作为参考干涉仪的光纤温度和应变传感器。该传感器由参考干涉仪FSI和传感干涉仪PMI组成，利用参考干涉仪FSI对温度、应变、弯曲及扭转的不敏感特性，从仿真和实验两个方面分别对单个PMI、单个FSI以及级联传感器的温度和应变灵敏度进行了研究。结果表明，单个FSI对温度和应变相对不敏感。级联传感器的温度和应变灵敏度与单个的PMI相比，分别提高了11.12倍(-15.56nm/℃)和11.81(154.04pm/με)倍。仿真结果为11.34倍，与实验结果基本一致。 基于以上分析，本文提出的传感器克服了传统电学传感器的不足，对煤矿管理监测等公共安全行业起到积极的推动作用。未来可将该传感器应用到航天航空、医药卫生、海洋开发、安全监测等领域。
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