塑料光纤的传输损耗系数无损测量方法与传感应用研究
相比于铜电缆,塑料光纤具有较高的传输带宽和抗电磁干扰等优势.塑料光纤将逐步成为短距离通信和局域网等领域中的理想信息传输媒介.目前,已经有许多研究机构在开展有关塑料光纤的制造工艺、通信应用以及传感应用等研究,并获得了诸多标志性成果.但是,有关塑料光纤传输损耗系数在线测量技术的研究报道却并不多见,而该技术对于塑料光纤制造产业来说又是十分重要的.鉴于此,本论文研究了基于光纤宏弯结构和折射率匹配技术的非破坏式的光信号注入与提取方法,即实现了光从光纤包层外到光纤纤芯内的光注入,以及光从光纤纤芯到光纤包层外的光提取;利用这两种方法,提出了一种塑料光纤传输损耗系数无损测量方法.该方法将作为上述在线测量技术的重要技术储备.此外,本论文也对塑料光纤液位传感技术进行了研究.论文的主要研究内容和创新性成果可概述如下:(1)提出了一种基于光线追迹法的描述塑料光纤光传输特性的三维理论仿真模型.利用该模型,对基于光纤宏弯结构和折射率匹配技术的非破坏式光信号注入方法进行了理论研究,分别分析了光纤弯曲半径、光束的初始入射位置和入射角度以及外部介质折射率对光注入效率的影响.通过搭建实验平台并开展相关实验研究,验证了理论预测结果.实验上获得了最高可达30%的光注入效率.(2)基于功率流方程和光线追迹法,从理论上研究了塑料光纤纤芯内光波电场随传输距离的演化特性,给出了最终达到稳态分布时的光功率角度分布.实验验证了上述稳态分布的存在.(3)基于光纤内光波电场的稳态分布,对不同弯曲半径条件下的光纤宏弯损耗进行了理论研究.理论结果显示:当光纤的弯曲半径确定后,对于光纤纤芯内已经达到稳态分布的光波电场而言,由光纤宏弯造成的光功率损失百分比是基本相同的.(4)依据非破坏式光信号注入与提取方法,提出了一种塑料光纤传输损耗系数无损测量方法.为验证该方法的可行性,开展了光信号注入与提取模块的设计、制作以及实验测试工作.最终,通过与截断法进行实验对比,证明了所述塑料光纤传输损耗系数无损测量方法的可行性.实验结果显示:该无损测量方法的测量误差小于8%.(5)提出了一种结构简单、价格低廉的多点测量型塑料光纤液位传感系统.该系统的传感部分是由一系列共轴、等间距放置的塑料光纤构成.当任意两段相邻塑料光纤之间的空隙由液体填充时,这两段光纤之间的光耦合能量会增强,进而实现了光强度的调制.利用光线追迹法对该传感系统进行了理论研究,实验验证了理论预测结果并对传感系统的性能进行了较为全面的测试.该液位传感器的响应时间小于1 s.
- 作者：
- 林霄
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
- 专业名称：
- 光学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 任立勇
- 中图分类号：
- TN253
- 关键词：
- 塑料光纤；传输损耗系数；无损测量；液位传感；光纤宏弯损耗；光线追迹
- plastic optical fiber； attenuation coefficient； nondestructive measurement； liquid level sensor； macrobending loss； ray tracing method