本文提出了一种基于多波长平均的五步相移解调方案，解决非本征光纤法布里-珀罗（F-P）传感器阵列的串扰问题。以光纤F-P传感器的两基元并联复用系统为研究对象，探讨了基于五步相移解调方案的基本串扰理论以及多波长解调抑制串扰的具体方法。通过数值仿真研究了串扰与传感系统的消光比、平均波长数、波长间隔以及不同传感器基元腔长的关系，对单波长解调方案和多波长解调方案的串扰抑制效果进行了对比分析。结果表明，相较于单波长解调方案，多波长解调方案通过对多个连续工作点处的五步相移信号解调结果进行平均，降低了传感阵列的串扰。同时，该解调方案降低了对传感阵列光开关消光比和不同基元间腔长一致性的要求，有效推进了光纤F-P传感器阵列大规模复用的发展。

为了研究光纤传感器在超声波检测方面的应用，提出了一种膜片式光纤法布里-珀罗（F-P）传感器的结构和制备方法。首先探究了声场中放置距离和角度对膜片式光纤F-P超声传感器的声振动敏感膜片形变量的影响，仿真得到光纤F-P传感器的传感效果随距离、角度的增加而下降，然后提出了一种基于熔接、切割、抛磨方式制备的膜片式光纤F-P超声传感器，最后对该传感器的传感性能进行了实验验证。实验结果显示，提出的传感器的频率探测范围为20~80 kHz，信噪比不小于25 dB。此传感器的制备使用全焊接方式，与传统的胶连接方式相比，结构更稳定，使用寿命更长，因此在电网局部放电检测等场景中具有广泛的应用前景。

为解决非本征光纤法布里-珀罗(Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometor, EFPI)在电力变压器内体绝缘安装困难且易损坏的问题, 设计了高灵敏度的EFPI传感器, 提出采用油腔结构的变压器油箱壁外置式安装方法。在阐述EFPI传感和液气介质下膜片振动原理的基础上, 分析了传感器检测灵敏度与其法-珀腔膜片尺寸的关系, 设计EFPI传感器法-珀腔膜片尺寸并制备传感器。然后, 设计外置油腔耦合结构, 采用压电陶瓷(Piezoelectric, PZT)声发射传感器构建EFPI传感器性能测试系统, 测得EFPI传感器的幅频特性和检测灵敏度。最后, 使用板-板电极和变压器实体模型搭建局放检测系统, 外置EFPI传感器与PZT传感器同时探测电极局放信号。实验结果表明: EFPI传感器的一阶固有谐振频率为113 kHz, 静压灵敏度为7.5 nm/kPa, 外置油腔耦合结构EFPI传感器局放超声信号的检测灵敏度高于传统的PZT传感器。外置结构可有效保护传感器膜片, 降低安装难度, 且避免了EFPI传感器置于变压器绝缘高场强度区域带来的安全隐患。

利用飞秒激光油液辅助的加工方式,在单模光纤端面附近制作出20 μm直径的精密柱形微孔。利用微孔与光纤端面形成了具有明显光拍和游标效应的法布里-珀罗传感器,实现了对环境参数的测量。实验结果显示了传感器对外界温度、湿度、折射率以及气压具有较好的线性响应,传感器具有-0.0669 dB/℃的低温灵敏度、0.74 nm/%RH的湿度灵敏度、6.5 nm/RIU的折射率灵敏度、12.23 pm/℃的高温灵敏度以及1.743 dB/MPa的气压灵敏度。该传感器具有制作简单、性能稳定、结构紧凑等优点。

为提高复合式光纤法布里-珀罗传感器的相关解调分辨率,提出了一种基于新型复合式光楔的非扫描相关解调系统。根据所解调复合式光纤法布里-珀罗传感器各腔体光学厚度变化范围,沿线阵CCD像素点排布方向,设计了分段式不同倾角和厚度范围的空气间隙式光楔结构,实现了多个法布里-珀罗腔腔长的复合同步解调。针对基底腔和空气腔腔长分别为600 μm和80 μm的复合式光纤法布里-珀罗传感器,设计了复合式光楔,仿真并分析了其解调性能。结果表明,采用基于复合式光楔的非扫描相关解调方案,可以实现光学厚度差异较大的多法布里-珀罗腔构成的复合式光纤法布里-珀罗传感器的同步高精度解调,腔长解调分辨率优于单光楔解调。

为了精确提取相关干涉信号的峰值位置,为光楔式光纤法布里-珀罗传感器的相关干涉解调机制提供理论借鉴,数值模拟了3种典型的光源光谱分布的相关干涉信号,并对所获得的相关干涉信号进行了详细的对比分析,综合讨论了不同光源光谱分布条件下,光谱带宽对相关干涉信号宽度、幅值以及对比度的影响。分析结果表明,当光源在光谱上具有高斯分布且带宽较大时,得到的相关干涉信号噪声较小、条纹更稀疏、信号对比度更高,更便于准确寻峰和实现高精度的解调。

为满足海水温度高精度快速测量的需求,提出了一种基于光纤法布里-珀罗(F-P)传感器的温度传感方案。该传感器由硅片和光纤尾纤组成,硅片作为光纤F-P传感器F-P腔的腔体,利用硅的热光效应和热膨胀效应实现温度的传感。采用基于二分法的交叉相关快速解调算法对光纤F-P传感器进行高精度的快速解调。对制作的光纤F-P温度传感器进行测试,结果表明:该传感器可达到0.15 ℃的温度测量精度,可分辨0.001 ℃的温度变化,温度响应时间可达到128 ms。该传感器有望在投弃式测量领域得到应用。

非本征光纤法布里-珀罗(F-P)传感器已被用于液-固复合绝缘局部放电检测,但存在液体黏滞阻尼和附加质量影响传感器固有频率和灵敏度的问题。采用有限元方法计算传感膜片在油和空气介质中受迫振动幅频响应,并分析不同温度下传感器幅频特性和灵敏度。提出F-P传感器的液体隔离结构,消除介质对其参数的影响。制备F-P传感器并构建实验系统,测试不同温度下两种结构传感器的幅频特性。实验结果表明:液体绝缘油中,F-P传感器因黏滞阻尼和附加质量导致固有频率下降约0.58,幅频曲线带宽变大,响应幅值降低;液体介质温度升高,传感器固有频率增加,幅频曲线带宽变小,响应幅值增加,灵敏度变大;液体隔离结构的F-P传感器不受介质黏滞阻尼和附加质量影响。

利用准分子激光器在普通单模光纤上加工微孔, 制作了一种微孔结构型的光纤Fabry-Perot(FP)腔, 并对该微孔型光纤FP腔的温度特性进行了理论和实验研究。研究表明, 当外界环境温度变化时, FP腔腔长和腔中介质的折射率会发生变化, 致使传感器输出光谱发生漂移。通过观测光谱对应的峰值或谷值的漂移量, 即可实现对环境温度的传感检测。实验结果发现, 随着温度的升高, 波长逐渐向短波方向方发生漂移, 且波长的漂移量温度变化呈线性关系, 其对应的温度灵敏度和线性度分别为-0.152 nm/℃和98.8%。该微孔结构型光纤F-P腔温度传感器具有结构简单、成本低廉、实用性好等优点, 可以适应不同温度的需要, 研究结果可为该种器件在传感中的应用提供一定参考。