1．目的及意义

1.1设计目的

本课题旨在结合近期迅速发展起来的光纤传感技术，针对传统倾角传感器的特点，提出了一种新型的倾角传感器设计方法。应用本文提出的设计方法设计出的传感器具有体积小、分辨率高、抗干扰能力强等优点。具体包括传感器的光路设计、结构设计以及性能测试系统。

1.2设计的意义

始于20世纪60年代的光纤传感技术，正与其体积小、灵敏度高、放腐蚀、防爆、不受电磁干扰、适用于恶劣环境、能够实现远程信号处理和可以复用等优点得到研究人员的青睐，在近些年迅速发展，逐渐超过传统传感器，在工业、工程建设、生物医学、航空航天等领域大放异彩。不到50年的时间，光纤传感器的种类已达到上百种。

法布里-珀罗(F-P)腔光纤传感器是众多光纤传感器中的一种，其主要是利用法布里-珀罗(F-P)腔的光学特性，可以对温度、压力、倾角、位移、速度、加速度、磁场等多种物理量进行测量^[1]。从1991年，Murphy等人成功开发了基于非本征型F-P腔结构的光纤法布里-珀罗(F-P)腔光纤传感器之后，法布里-珀罗(F-P)腔光纤传感器就迎来了飞速发展，也得益于其自身分辨率高、防爆、抗电磁干扰等特点，逐渐成为光纤传感器中的一个重要分支。

目前的光纤倾角传感器大多是基于光纤Bragg光栅(FBG)制成的，由于FBG光纤倾角传感器是将倾斜转变为应变来进行测量，因此很难得到较高的分辨率。传感器的分辨率即是传感器可以感受被测量最小变化的能力，高分辨率倾角传感器就能测出极小角度的变化，这对于需要精密测量的领域有极大的帮助。由此，结合F-P腔高分辨率的特点，设计出小角度高分辨率倾角传感器。

1.3国内外的研究现状分析

对于法布里-珀罗(F-P)腔光纤传感器的研究，1989年美国布朗大学(Brown University)的Mendez等人^[2]首次提出将法布里-珀罗光纤传感器应用于钢精混凝土结构的应变监测，并给出实验结果。1997年，韩国在首尔市附近的汉江上最大跨度的Sungsan桥上，选择了3跨安装法布里-珀罗(F-P)光纤传感器，达到了0.12微应变的分辨力，并能进行动态测试^[3]。2005年，Donlagic和Cibula^[4]提出了基于膜片设计的全光纤法布里-珀罗(F-P)腔压力传感器结构；2007年，WEI等人^［5］证明了基于飞秒激光器调制的开放型F－P腔的折射率传感器，具有可靠性高温度不敏感等优点，但随着F－P腔沉积物增多，其性能将大大下降；2008年，CHOI 等人^［6］设计了一种微型混合结构的F－P腔光纤传感器用于温度测量。ＲAN等人^［7］在单模光纤端面加入密闭的F－P腔用作信号调制器，研究出一种不受温度干扰的液体折射率传感器，通过测量干涉条纹最大对比度获得液体折射率。2014年Wen-HuiDing等人通过在单模光纤尾端熔接一小段光子晶体光纤制成一种光纤F-P型温度传感器在25到300℃范围内温度响应灵敏度达到-0.011nm/℃。在国内也有很多相关的研究，重庆大学较早开展了基于光纤F-P腔结构的光纤应变传感技术研究^[8,9]，研制了光纤F-P型传感器的解调系统^[10]，发展了光纤F-P型应变传感器串并联混合复用的离散腔长变换解调技术^[11]。电子科技大学和上海大学也开展了有关的研究研发了高温F-P型光纤温度传感器^[12,13]。在传感器设计方面,大连理工大学采用激光微加工热熔键合技术制作的全石英结构的光纤F-P压力传感器,具有迟滞小、稳定性好、耐高温高压、温度－压力交叉敏感性低以及长期漂移小等特点,非常适用于复杂恶劣的工业环境中的压力测量^[14]。

在光纤倾角传感器的研究方面，从现有的原理上可以分为光纤光学式和光纤光栅式。光纤光学式还分为干涉式和采用特种光纤。干涉式主要基于光学干涉仪的原理，2011年，Amaral等人^[15]构造一种基于光纤拉锥Michelson干涉式倾角传感器；2013年，Chen等人^[16]提出了一种在高掺杂铒镱的光纤上相隔较短距离引入两个拉锥制成Mach-Zehnder干涉式倾角传感器。干涉式光纤倾角传感器成本低、精度高，但是不能大量复用，难以实现分布式测量。特种光纤是制造技术进步的体现，2009年，Miller等人^[17]将一个玻璃毛细血管作为光纤悬臂梁的质量粘贴在多芯光纤的一端，构成双轴倾角传感器；2013年，Liu等人^[18]提出将一段空芯光子晶体光纤横向偏移熔接在单模光纤中，测量结果显示该传感器可以达到45°的测量范围。特种光纤式倾角传感器体积小，但是相比普通光纤焊接困难，并且成本较高。光纤光栅式还可分为反射式和透射式。反射式倾角传感器主要采用布拉格光栅(FBG)，2004年，Guan等人^[19]提出了一种基于FBG加竖直摆锤的结构，利用每一对FBG反射波长差来编码倾斜角；2010年，Bao等人^[20]将两个FBG相隔四分之一圆周贴在一个上部分中空下部分实心的圆柱体上，当倾角变换，FBG反射波长分裂，观测两个分裂峰间隔得到倾斜角；2014年，Su等人^[21]基于两个线偏振模耦合原理，通过在一段保偏光纤中写入FBG并于SMF熔接，提出了可以同时测量倾角和温度的反射式光纤倾角传感器。反射式倾角传感器采用机械传递装置，体积较大，存在机械摩擦，会影响精确度。透射式主要采用长周期光纤光栅(LPFG)，2011年，Wang等人^[22]将一LPFG斜粘贴在装有蔗糖溶液的有机玻璃管内制成一种新型一维大测量范围倾角传感器，实验结果显示测量范围在±30°，精度达0.13°。透射式光纤倾角传感器有较高灵敏度，但是存在交叉敏感现象。

从现有的研究我们可以看到：① F-P腔在温度、压力传感运用方面越来越广，研究方向也向着高分辨率、高灵敏度、高稳定性发展。在温度、压力的传感下能有如此进展，我们有理由相信，F-P在倾角传感方面也会有长足进步。②基于光纤的倾角传感器，由于光学理论的多样性，会有很多实现的方法，如何在追求高性能的同时实现结构简单、成本低廉，也将是未来研究人员努力的方向，而干涉式的倾角传感器的特点或是这个方向的一个突破口。F-P腔也正是利用的光的干涉原理，因此，基于F-P腔的光纤倾角传感器的课题研究是当代研究的优良结合。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2.1研究（设计）的目标