【摘 要】
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气压监测如今已经应用到我们实际生活中的各个领域,如航空航天、医疗器械、气象监测、海洋探测、国防军事和工业生产等。然而传统的电学式气压传感器由于难以小型化并且易受到温度和电磁干扰,限制了其实际应用。光纤气压传感器由于具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、本质安全等优点,与传统电学性质的气压传感器相比,它更适合用于高温、高压、易燃、易爆、强电磁干扰的场合。光纤法布里-珀罗(F-P)气压传感器以其成本低、结构
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气压监测如今已经应用到我们实际生活中的各个领域,如航空航天、医疗器械、气象监测、海洋探测、国防军事和工业生产等。然而传统的电学式气压传感器由于难以小型化并且易受到温度和电磁干扰,限制了其实际应用。光纤气压传感器由于具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、本质安全等优点,与传统电学性质的气压传感器相比,它更适合用于高温、高压、易燃、易爆、强电磁干扰的场合。光纤法布里-珀罗(F-P)气压传感器以其成本低、结构简单以及灵敏度高等优点被广泛研究并应用于环境气压监测。本文针对光纤F-P气压传感器的研究现状做了详细分析,总结了不同结构的光纤F-P气压传感的优点和存在的不足,提出并制作了一种基于飞秒激光加工及CO2激光熔接的无膜式光纤F-P气压传感器,并在理论与实验上对所提出传感器的性能进行了深入研究。本论文的研究内容如下:第一,深入研究了光纤F-P传感原理及解调技术,推导光纤F-P传感反射光强表达式,介绍了多种光纤传感解调技术,引出基于数字互相关技术的白光干涉(WLT)解调方法。提出了一种基于飞秒激光加工及CO2激光熔接的无膜式光纤F-P气压传感器。在理论推导的基础上使用MATLAB软件对传感器的性能进行数值模拟分析,模拟了不同初始几何腔长传感器的光学腔长与气压的关系。理论上,初始几何腔长为703μm、2062μm和2926μm时,传感器的灵敏度分别为1854.4 nm/MPa、5439.3 nm/MPa、7718.4 nm/MPa。接着分析了传感器的灵敏度与初始几何腔长的关系,得出灵敏度与初始几何腔长成正相关。最后探究了20℃到70℃范围内温度变化对传感器光学腔长的影响。第二,搭建气压传感实验系统,并对传感器的性能进行测试。首先,介绍了传感系统中所用设备参数以及气压传感流程。其次,对三种不同初始几何腔长传感器的反射光谱、灵敏度、重复性以及分辨率进行研究。实验测得,初始几何腔长为2926μm的传感器在0 MPa到0.5 MPa的气压测试范围内,具有7702 nm/MPa的高灵敏度以及4.9 Pa的高分辨率,并且具有良好的重复性,实验结果与理论模拟结果吻合。然后,利用光纤布拉格光栅(FBG)与气压传感器串联消除温度影响,进行了FBG温度传感标定实验,探究了FBG的温度与布拉格波长之间的关系。最后,搭建真空传感实验系统,在0.1 KPa到88 KPa气压范围内,初始几何腔长为2078μm和2926μm的传感器分别获得5.22nm/KPa和7.38 nm/KPa的灵敏度,并且具有良好的重复性。
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