基于球形结构的光纤传感器设计开题报告

1. 研究目的与意义

传感器是能够感应外界待测物理量的测量元件，它将测量结果按照一定规律转变成可测量装置中可以探测到的输出信号。传感技术作为信息科技发展过程中的三大技术之一，伴随信息科技进入新的发展时期，传感技术领域也进入了崭新的阶段。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已受到全球的公认，因此，传感技术的研发与实用受到了各个国家的重视。我国已将传感技术的研究纳入了国家的重点发展项目。随着科学经济的发展，将感知全面、传输可靠和处理智能作为目标的“物联网”和“智慧城巿”被相继提出。光纤类传感器件以技术含量高、渗透能力强、经济效益好、市场前景广等特点，现已成为世界公认的具备发展前景的高科技产品。光纤传感器的研发工作在全球范围内都引起了极高的重视，各个发达国家已经打出了科技赛跑的第一枪。近年来，传感器每年生产量的增长率约11%，世界上从事传感器开发、研制与生产的单位约有5000多家。传感技术可以成为国家科技水平的重要标志。光纤传感器件是在20世纪70年代末兴起，相比于传统的电类传感器件，它有诸多优势，如不受电磁干扰、体积小、质量轻、电绝缘性好、能同时传输大量的信息、良好的传光性能、频带宽等。此外，光纤传感器件本质是种可以独自完成传感测量的光敏感元件。光在光纤中传输时，光波的一些物理特性会被调制，通过对调制后的光进行检测，能够通过检测到的信息感知外界环境的变化。因此，光纤类传感器得到了广泛的应用与迅速的发展。光纤传感器件具有小体积、易于安装、便于携带、存储方便、能够满足航空航天等各个领域对传感器质量、形状等的严苛要求。此外，全光纤类传感器还可以达到无需现场供电、免受核辐射的干扰和电磁干扰。这类传感器件性能稳定，不会轻易出现故障，可长期工作于高湿、高温和存有化学腐蚀的恶劣环境中。光纤类传感器件与传输光纤都可以做到耐高压、防爬电、阻燃、绝缘等，可以满足电力电气设备对可靠性与安全性的高要求。光纤类传感器件能够绝对测量、没有零漂、高分辨率、快速响应、远程传输、易于多点实时区分传感测量、可以差温和定温报警、快速安装，简便维护、易于组建测量网络、光源和线路的损耗并不影响测量精度。整个光纤传感系统具有大容量扩展功能，后期如需扩大容量也不用重新更换主机，仅仅需要增加光纤传感器就即可实现目标。温度、折射率是油气田开采、煤矿产业、航空航天、电力系统、医学、生物化工等领域进行质量与安全监测的重要指标，温度、折射率传感对国计民生有着十分重要的意义。在温度、折射率的测量方面，传统的电类传感测量技术还较为落后，难以同时满足抗化学腐蚀、抗电磁干扰、高精度等高科技发展的新要求。而将光纤类传感器件用于温度、折射率传感可以攻克很多困难，并已受到各领域专家的重视。例如:油气田开采的过程里，油气的折射率与井下的温度都是开采的重要参数。传统的电类传感器件无法达到井下耐受高温与长期稳定的要求，但光纤类传感器件可以在高温高压的环境下长时间稳定的正常工作，它具有绝对的优势。此外，光纤传感器件的温度、折射率响应灵敏度更高，测量数据更加精准，已经成为国际化石油生产测试领域里研究的热点。中国的煤产量可以排在世界前列。燃煤作为我国的主要能源，大约占一次能源的70%。但矿井中却存在着很多危险，例如:火灾、瓦斯爆炸等等。所以，矿井内对温度的传感监测十分重要，光纤传感器件可以耐高温、损耗小、易于远程在线传感监测，这些对于保障工作者的生命安全是有重要意义的，光纤类传感器被科技工作者们作为矿井内安全监测的首选。光纤类温度传感器在电力系统中常常用来对电缆电力设备的表面温度进行监测、测量电缆密集区的温度、高压配电箱体内易于发热部位的温度、变电站及发电厂的环境温度和火情警报方面需要进行的温度监控。航空航天领域对温度等物理参量的传感监测也同样至关重要。光纤类传感器的灵敏度高、重量轻，体积小在航空领域有着绝对的优势，它可以对飞行器的各个物理参量进行实时在线监测。光纤类传感器是现今为止能够做到最小的测量传感器件，当光纤传感器包裹上生物膜后，它可以用最小的侵害方式来实现对人体组织功能的内部传感测量，并提供准确的探测部位信息。光纤类传感器的化学性质很稳定，体积小，还可以对生物体或生物体器官进行活体检测，在医学研究领域具有广泛的应用前景。光纤传感类器件扩大了传统传感器的适用范围、全面提高了传统传感器的很多性能，突破性的完成了在很多情况下用传统传感器所难以甚至不能完成的传感任务，因此本文研究的光纤温度、折射率传感器具有实用性强、应用范围为广、对国计民生有着重大的意义。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

1.在现有光纤传感的基础上，分析各种光纤传感器的优缺点。

2.设计一种球形结构的光纤传感器，是一种基于球形结构级联的光纤传感器，并将三个个球形结构进行连接。

3. 研究的方法与步骤

方法：

光束传播法(bpm)的基本思想就是把波导沿着传播方向剖分成若干个截面，根据前一个或几个截面上的已知场分布得到下一个截面上的场分布。

步骤：

4. 参考文献

[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]hill k o,fujii y,johnson d c,kawasaki b s, photosensitivity in optical fiber waveguides:application to reflection filter fabrication[j]. applied physics letters 1978, 32 (10),647-649.

[3]xi x,wong g k,weiss t,russell p s, measuring mechanical strain and twist using

5. 计划与进度安排

2022.2下达任务书

2022.3查阅相关资料，熟悉基本理论，完成英文翻译，完成开题报告

2022.4熟悉模拟计算工具，完成模拟计算，得出模拟结果