微孔结构光纤器件制备与传感研究

论文摘要

在光纤传感领域,基于微孔型光纤Fabry-Perot（F-P）传感器由于具有结构灵活和多样化特点,成为了光纤传感领域具有发展潜力的传感器之一。本文主要研究集成化、微型化以及具备多参量测量功能的微孔型F-P传感器,设计了一种由三个内界面构成反射面的复合型F-P腔传感器结构。通过研究微孔加工技术与光纤F-P腔传感技术,制作出了三种尖端结构的F-P传感器。实验研究了传感器对气体环境温度与压力、液体环境温度与折射率的响应特性,采用快速傅里叶变换与傅里叶带通滤波的方法对传感器复合光谱进行分离,达到多参量同时区分测量的目的。本文主要研究内容和结论如下:（1）通过研究193 nm准分子激光器微加工机理,优化了激光加工系统,采用激光成像的方法设计了加工规则微结构图案的光路,在二氧化硅材质上加工出了不同规则形状的微结构,并且实现了在光纤纵向上加工规则的矩形穿孔技术。结合现有光纤F-P传感器技术,理论分析了复合F-P腔传感器灵敏度特性以及F-P腔的腔体尺寸与光谱效果的关系,根据传感使用功能需求,设计了一种探头式尖端集成复合F-P腔的传感器结构,并建立了传感器传输光谱的理论模型。（2）利用193nm准分子激光器微孔加工技术,制作了一种微孔型光纤F-P传感器。通过对该传感器的理论与实验研究,得出该传感器在气体温度环境25℃-300℃、气体压力环境0.1 MPa-0.7 MPa、液体折射率环境1.3352 RIU-1.3469 RIU和液体温度环境30℃-90℃的范围内,具有良好的线性响应特性,对应的气体温度、压力和液体折射率、温度灵敏度分别为0.010 nm/℃、4.16 nm/Mpa、1020.5 nm/RIU和-0.181 nm/℃。将该传感器的复合光谱利用傅里叶带通滤波的方法提取每一个F-P腔频谱后,可用于同时区分测量温度和压力,并且在气体温度25℃-60℃与压力0.1 MPa-0.7 MPa范围内区分测量的平均误差分别为0.67℃和0.017 Mpa。（3）利用强力UV胶粘合制作微孔的方法,加工了一种UV胶改进微孔型F-P传感器。通过实验研究,得到该传感器对温度有四种不同的响应灵敏度,分别为0.748 nm/℃、0.053 nm/℃、0.014 nm/℃和0.011 nm/℃,此外对压力有较高的响应灵敏度为8.45 nm/Mpa。该传感器对气体温度与压力的灵敏度是微孔型光纤F-P传感器的66倍和2倍多;并且能同时区分测量温度和压力,区分相对误差分别为0.2%和3.7%。该传感器在液体环境中对折射率也有较高的响应灵敏度达到了156.8 nm/RIU,在同时区分测量液体温度和折射率时,相对误差为2.1%和4.1%。（4）利用熔接技术与微孔加工技术,制作了一种毛细微孔型F-P传感器。该种传感器是鉴于微孔型F-P传感器腔壁不平整和不光滑而制作的,该种传感器的F-P腔壁平滑,光谱规整,在解调时能更准确的识别信号,从而减小测量时因光谱形状不规则带来的误差。通过实验验证了该传感器对环境响应的灵敏度与微孔型F-P传感器的灵敏度基本相似,对气体温度、气体压力、液体折射率和液体温度响应灵敏度分别为0.010 nm/℃、4.02 nm/Mpa、1132.9 nm/RIU和-0.190 nm/℃。综上所述,利用193nm准分子激光器微加工技术制作的微孔型光纤F-P传感器具有结构紧凑、测量范围广和集成度高等特点。基于UV胶改进微孔型F-P传感器与基于毛细微孔型F-P传感器是微孔型光纤F-P传感器的进一步优化,优化后不仅解决了微孔型F-P传感器在灵敏性与光谱规整度上带来的问题,而且工作状态稳定,测量精度更高,更加适合于工业测量。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张庭

导师: 刘颖刚

关键词: 光纤传感器,微孔加工,温度传感,压力传感,折射率传感

来源: 西安石油大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 西安石油大学

基金: 国家自然科学基金项目(61805197),陕西省教育厅科研项目(17JS105),陕西省自然科学基础研究计划基金项目(2013JM8032),西安石油大学研究生创新基金项目(YCS17112039,YCS18112031和YCS18211018)

分类号: TN253;TP212

总页数: 67

文件大小: 2967K

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