基于马赫-曾德尔干涉的超紧凑光纤应变传感器设计开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

随着经济的快速发展，我国建筑业得到了飞速发展的契机，更多基础设施被落成，大型结构如高楼，桥梁，大型航天器，空间站和大型加油站等也迎来了建设高潮。这些大型结构受到外界环境的影响，其结构材料老化，材料强度，杨氏模量等力学特性也随之降低，随着这些特性的改变会导致大型结构运行的故障，这些故障需要被及时发现，不然会引起结构失效和灾难性的事故。大型建筑物在运营中突然倒塌并不罕见，因此，迫切的需要一种检测手段，可以对结构是否正常工作进行实时检测和评估，特别是对那些不能被直接观察到的缺陷，这些缺陷会在结构内部积累起微裂缝，若不能及时的检测这些裂缝，随着裂缝发展，扩大会造成结构的坍塌。所以，找到一种实时检测的手段是非常重要且必要的，能及时的发现结构的非正常变化并且及时采取措施修复结构，保证结构的正常运行化。应变测量对于许多应用非常重要，例如，民用基础设施的非破坏性评估，飞机的结构检查，以及地震监测等。应变是工程结构安全评估的重要参数，是结构和材料的重要物理参数，反映结构的固有特性。应变对结构局部特征变化比较敏感。通过应变信息可以对结构外载荷进行反演以及评估结构安全和精确定位损伤位置。因此，对大型工程结构进行长期的实时应变检测和评价是十分重要且有意义的。

1.布拉格光纤光栅是一种波长编码的光纤传感器，传感的原理为：当外界力作用于传感器时，传感器内部会产生相应的应变，光栅的周期和有效折射率会发生改变，致使光栅的布拉格波长随之发生漂移，不同的应变会产生的不同的波长漂移量，通过测得漂移量实现应变测量。因为它是波长编码的，所以具有精度不受光源强度变化的影响，受环境因素影响小，稳定性好等优点，被广泛用于大型工程建筑的安全检测中。2.长周期光纤光栅应变传感器，长周期光纤光栅的光栅周期长度范围一般在几十至几百微米。长周期光纤光栅是同向传输的纤芯模与包层模的耦合，无后向反射，是一种透射型光栅，所以，它在传感系统中不要隔离器。当外力作用时，系统产生相应的应变，长周期光纤光栅的透射谱会相应产生改变，通过测得此时透射谱的改变，可以实现应变测量。长周期光纤光栅的传输特性会随着应变和温度等因素的改变而变化，因此，与布拉格光栅相比，它具有更高的灵敏度。3.偏振调制型光纤应变传感器的工作原理是：输入光进入后，光信号通过起偏器和四分之一波片后变为圆偏振光，当产生应变时，光纤中传输的两个模式会随之产生不同相移，从而致使输出光的合成状态在偏振光和圆偏振光之间变换。通过监测这两种偏振态光强的改变实现应变测量。偏振型光纤应变传感器的灵敏度较低，抗干扰能力较强，因为偏振型干涉仪运用到的偏振器和保偏光纤的价格较贵，所以限制了其市场应用。4.干涉型应变光纤传感器因制造工艺简单、稳定性好和技术成熟等特点，已被广泛的运用于日常应变测量。

本课题设计一种基于马赫-曾德尔干涉的超紧凑光纤应变传感器，是一种由单模光纤，单模光纤与光子晶体光纤熔接所形成的空气腔、塌陷区和一段带有空气孔阵列的光子晶体光纤共同构成的一种三明治结构的光纤传感器。

2. 研究的基本内容和问题

研究内容：

1. 在现有应变传感的基础上，分析各式应变传感器的优缺点。

2. 设计一种基于马赫-曾德尔干涉的超紧凑光纤应变传感器，是一种由单模光纤，单模光纤与光子晶体光纤熔接所形成的空气腔、塌陷区和一段带有空气孔阵列的光子晶体光纤共同构成的一种三明治结构的光纤传感器。

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   3. 研究的方法与方案

   本文采用的主要研究方法为时域有限差分法，以分析光子晶体的传输效率。时域有限差分法 (fdtd)最早是由k.s.yee于1966年提出。是对偏微分波动方程的离散化求解，利用时间和空间将偏微分方程转化为差分方程，从而求解电磁波传播过程中的各个离散点的参量与时间的函数关系。并且通过傅里叶级数的转化，可以同时计算出大的频率范围内的结果。核心思想是把带时间变量的maxwell旋度方程转化为差分形式，模拟出电子脉冲和理想导体作用的时域响应。fdtd有着广泛的应用性、节约运算和存储空间、计算程序的通用性、简单直观等诸多优点。

   步骤：

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   4. 研究创新点

   1. [1]karim qureshi k,liu z,tam h-y,fahad zia m, a strain sensor based on in-line fibermach–zehnder interferometer in twin-core photonic crystal fiber[j]. opticscommunications 2013, 309, 68-70.

      [2]shin j c,kwak w g,han y-g, temperature-insensitive microfiber mach–zehnder

      interferometer for absolute strain measurement[j].journaloflightwavetechnology 2016,34 (19), 4579-4583.

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      5. 研究计划与进展

      2021.2下达任务书

      2021.3查阅相关资料，熟悉基本理论，完成英文翻译，完成开题报告

      2021.4熟悉模拟计算工具，完成模拟计算，得出模拟结果

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