基于光纤法-珀结构的温度和折射率传感器设计与性能研究

来源 :重庆理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhuhuajian21004
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传感技术对现代信息技术的发展有着重要作用,为人们的生产和生活带来很多便利。其中光纤传感技术凭借其抗电磁干扰、高安全性、可远程测量等特点获得了大量研究人员的关注,而光纤法布里-珀罗干涉(法-珀)传感结构是光纤传感领域中的研究热点,具有可靠性高、稳定性好、成本低廉等优点。本文对光纤法-珀干涉传感器的原理做了较为详细的分析,设计并制作了两种不同结构的光纤法-珀干涉传感器分别用于温度监测和折射率测量的研究,并将光纤法-珀折射率传感器研究中的发现拓展用于模式干涉型光纤传感器。论文的主要研究内容包括:1.在石英毛细管中分别固定单模光纤与钛金属丝制作光纤法-珀温度传感器,由光纤端面与钛金属端面构成法-珀微腔,利用钛金属的热膨胀进行温度传感。由实验验证了理论分析中忽略高阶反射光束的合理性,三次测量1~50℃范围的升温降温光谱,该传感器表现出高一致性与高稳定性;传感器依据法-珀腔光学腔长与温度的二项式经验公式而不是通常采用的线性经验公式用于传感监测,其灵敏度约为66.7nm/℃,测温精度可达0.1℃。2.目前,大多光纤折射率传感器研究将待测物的折射率视为常数,没有考虑介质折射率随波长的改变,并以不包含589.3nm波长的光谱去测量介质在589.3nm波长处的折射率(名义折射率),这些研究可能得到了不太严谨的结论。文中由理论分析和实验测试证明了开放式光纤法-珀传感结构使用传统波长漂移和双峰光程差计算方法不能适用于对任意物质的名义折射率进行测量,并推测其他光纤折射率传感器或许也存在不能适用于普遍物质的折射率测量。最为重要的是提出并验证了一种开放式法-珀干涉仪相互标定方法,可拓展用于介质在所有光波段色散曲线的快速测量,能够补充阿贝折射仪在色散测量方面的不足,在材料分析方面具有广阔应用前景。3.由内容2引入对模式干涉型光纤传感结构的分析,基于光束全反射产生相位变化量与外界折射率的关系对包层有效折射率随待测量改变的原因进行解释,完善传感机理;由理论分析和实验测试证明了由于不同介质的色散曲线具有差异,模式干涉型光纤传感结构仅适用于标定介质的液位监测或折射率测量,同样存在普适性缺陷。
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