基于光纤上微纳空心FP腔的压强传感技术研究

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压强测量一直是工程应用中的测量重点,尤其是在易燃易爆等危险区域测量压强参数。传统的压强测量方法通常采用电学传感器探测信号,但是电学传感器单元的机械性能、信号传输稳定性都较差,无法精准的采集压强和应变信息,也难以满足在复杂环境下的压强测量需求。而基于光纤结构的压强传感器体积偏小、质量较轻,同时其不易受电磁等信号干扰,灵敏度及测量精度相对较高,在复杂环境压强测量领域,比如,输油管道内部压强测量、海底压强测量、各类储油罐压强测量,展现出了巨大的应用潜力。本论文在基于法珀多光束干涉的原理上,结合精密切割、吹泡法、放电辅助膨胀法和CO2激光器加热法等方式,设计并制备了三种基于光纤上空心结构的光纤法珀传感器,通过对传感器建立力学仿真模型,优化了传感器的参数设计范围,显著提高了光纤法珀传感器的压强测量灵敏度。相较于国内外其他课题组的研究现状,本论文所提出的压强测量结构在灵敏度和分辨率上均具有较大优势。本论文主要创新点:(1)基于吹泡法的填充AB环氧胶薄膜的新型光纤压强传感器。针对压强变化较小的情况,一般采用胶体制备FP微腔来获得高灵敏度的测试结果。然而,传统的胶体微腔制备不可避免的受到毛细现象的影响,无法制备出更薄的胶体薄膜。为了克服胶体制备微腔时的毛细现象。提出了一种基于吹泡法的填充AB环氧胶薄膜的新型光纤压强传感器。液体AB环氧胶通过压强泵加压吹泡的方法,使用压强泵控制压强的大小,可以控制气泡的大小,进而控制气泡壁厚。控制胶体的质量,可以获得极薄的气泡膜层制备。通过膜层转移实现了光纤上FP传感结构,在100kpa-400kpa范围内压强灵敏度约为264.0pm/kPa,同时由于膜层厚度的降低,使得传感器的温度漂移也得到很大的降低,约是之前文献报道的14%。该结构具有膜层厚度超薄、压强灵敏度超高、成本低廉、重复性好等优点,表明其在高灵敏度压强、声波探测方面具有良好的应用价值。(2)基于放电辅助膨胀法的光纤上FP腔制备与压强传感。制备空心微泡腔时,当填充压强相对过高时,微泡半径会膨胀(即膨胀状态),但当填充压强相对过低时,会发生收缩效应(即收缩状态)。假设排压强强和充填压强控制在一个合理的状态,存在膨胀和收缩之间的过渡临界状态。我们通过在临界状态压强辅助电弧放电条件下,反复调节和控制放电强度参数、充压强强值、微泡位置等。微泡膜层可以逐渐变薄,同时可以保留传统实心微球腔光滑、均匀、对称的优点。制备出了厚度在2μm的均匀微泡,并将膜层转移形成FP腔,在100kpa-1600kpa的压强范围内传感器灵敏度可达6790pm/MPa,相比之前文献报道提升1.5倍,更适用于各种恶劣的压强测试环境中。(3)基于薄膜整形增敏的光纤FP空心微腔压强传感。为了克服微泡制备中受热不均匀导致的结构偏轴和破裂问题,结合放电膨胀法和CO2激光器加热膨胀法,在外径150μm,内径128μm的空心的玻璃毛细管上制备了直径尺寸在500μm,球壁厚度在300nm的超薄空心玻璃泡腔。并将膜层转移形成FP腔,优化了传感结构的设计,精确控制了腔长。在100kpa-1600kpa的压强范围内传感器峰值偏移量-压强灵敏度约为20.12pm/kPa。灵敏度相比(2)中基于放电辅助膨胀法的光纤上FP腔提升了 4倍。
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