1. 研究目的与意义（文献综述）

光纤传感技术是以光波为载体、光纤为媒质、感知和传输外部测量信号的传感技术，自20世纪70 年代诞生以来受到强烈关注^[1]。伴随光纤生产工艺的日趋成熟，其生产成本已大幅降低，光纤的性能得到很大提高且光纤的种类越来越多，这为光纤传感器走向结构简单化、功能多样化、种类繁多化提供了便利条件。随着光纤传感器各方面优势的不断凸显，其已经被应用在温度、应变、加速度、振动、电压、折射率、液位等传感测量中，其广泛的应用前景和优良的传感性能备受专家学者们的青睐^[2]。

本设计将光纤传感技术与干涉测量技术相结合，构成了新型的干涉型光纤传感器，进行溶液折射率监测。干涉型光纤传感器因其具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强，动态范围大、结构多样化、便于复用等优点越来越多地受到人们的重视，在折射率检测领域具有广阔的应用前景。目前这方面的研究已经引起了国内外学者的注意。2011年duan dw等人^[3]通过在两段单模光纤中间横向偏置熔接一段单模光纤，形成一个类“开腔”进行气体折射率传感。在1.0-1.0022折射率范围内实现了3402nm/riu的超高灵敏度和6.2×10^-6的探测极限。同年susan silva等人^[4]将两种不同的大芯径空气包层光子晶体光纤(pcf)分别接入单模光纤，制作了一种液体折射率传感器。折射率范围为1.323-1.324时，pcf2折射率灵敏度为800nm/riu，且折射率分辨率为3.4×10^-5riu。2013年张珊珊等人^[5]制作了一种凹形锥-单模光纤-凸形锥的mzi折射率温度传感结构。由于透射光谱的两个特征波长对温度和折射率的响应特性不同，因此可以构建矩阵进行双参量测量。当折射率范围为1.333-1.3869，温度范围为30-60℃之间时，两特征波长对应的折射率和温度灵敏度分别为0.051nm/℃，-64.1nm/riu;0.057nm/℃,-82.8nm/riu。2014年rui xiong等人^[6]采用多模-单模-多模光纤拼接结构，利用透射谱两特征波长的变化进行传感，实现了对温度和折射率的测量。实验结果表明折射率范围为1.3105-1.3517，最大折射率灵敏度为-37.9322 nm/riu。温度范围为25℃-85℃，最大温度灵敏度0.0522 nm/℃。折射率和温度分辨率分别为1.3×10^-3riu，0.96℃。2015年h.f.chen等人^[7]制造了一种内空气腔的mzi传感结构。他们利用飞秒激光在切平后的单模光纤纤芯部分制造一个微孔，并将其与另一段单模光纤熔接形成光纤内部空气腔，并对光纤进行轻微拉锥。通过实验得到结构的轴向应力在 0-800με之间时最高灵敏度可达到22.5pm/με，从室温到100ordm;c 时可获得80pm/ordm;c的温度灵敏度，折射率范围为1.43-1.44时可得到1060nm/riu的折射率灵敏度。2016年xiuxin liu等人^[8]通过在单模光纤之间拼接两种不同长度的无芯光纤制作了级联型多点光纤折射率传感器。通过测量叠加透射光谱中的特征波长的偏移来实现折射率的测量。得到了在1.3288-1.3666的折射率范围内，两测量点对应的折射率灵敏度分别为148.60nm/riu和119.27nm/riu。2018年jing kang等人^[9]在多模光纤前端制备了一个凹锥，并将其拼接在两根单模光纤之间，制作了一种前锥形单模-多模-单模传感结构并将其用于折射率的测量。当折射率范围为1.33-1.37时，折射率灵敏度为-342.815db/riu，且分辨率为2.92×10^-5riu。纵观国内外研究成果，各学者通过设计不同结构的传感器、采用新型光纤，旨在提高传感器的灵敏度和测量的精度。其中，光纤模间干涉传感器作为光纤干涉传感器中的一种，具备干涉传感器特有的优势，为研制成本低、精度高、结构紧凑的传感器提供了一种新的可能。

本课题将开展干涉型光纤传感器监测溶液折射率变化的初步研究，根据模间干涉原理，设计出一种复合干涉型单模-多模-单模（sms）光纤传感器。利用不同模式间的干涉得到满足干涉相位匹配条件的干涉谱及其特征波长，而特征波长是由光纤有效折射率及传感光纤长度等因素决定，所以当外界被测参量作用于传感光纤时，引起传感光纤参量的变化，从而导致特征波长的漂移。通过检测特征波长与被测参量的关系，实现传感测量。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容和目标：

整理并分析溶液折射率监测方法的精度及可行性；在了解干涉型光纤传感器的特点、结构及工作原理的基础上，制作sms干涉型光纤传感器；设置不同浓度的溶液，进行溶液折射率监测试验，分析并比较干涉型光纤传感器进行折射率监测同其他监测手段的优缺点。

拟采用的技术方案及措施：

3. 研究计划与安排

第1-3周：调研溶液折射率监测现状，设计折射率变化试验模型；

第4-7周：布置干涉型光纤在线传感系统，测试并完善试验模型；

第8-12周：开展不同浓度梯度条件的干涉型光纤监测溶液折射率试验；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 孟庆尧,赵勇,郑明. 干涉型光纤应变传感技术的发展与应用[j].光电子技术,2005，25(3)：170-174.

[2] 李超. 新型光纤模式干涉仪传感特性及复合参数测量的研究[d].北京：北京交通大学,2017.

[3] duan d w , rao y j , xu l c , etal. in-fiber mach–zehnder interferometer formed by large lateral offset fusionsplicing for gases refractive index measurement with high sensitivity[j].sensors amp; actuators b chemical, 2011, 160(1):1198-1202.