基于游标效应增敏的光纤微腔传感器研究

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基于游标效应增敏的光纤微腔传感器不仅继承了光纤干涉型传感器抗电磁干扰、耐腐蚀以及可实现极端环境下远程精准测量等优点,而且弥补了其在灵敏度上的不足。目前,基于游标效应增敏的光纤微腔传感器已成为光纤传感领域的研究热点,并被广泛应用于温度、折射率、气压等特征参量的测量,但其在高灵敏度和特殊环境等应用领域仍存在局限性和待突破的技术问题。本文围绕基于游标效应增敏的光纤微腔传感器展开研究,旨在解决基于游标效应增敏的光纤微腔传感器的技术难点。在光学游标效应理论和光纤干涉仪特性的基础上,提出光纤干涉型传感器集成、增敏以及消除温度串扰的方案,设计并制备多种基于游标效应增敏的光纤微腔传感器,研究其传感原理和传感特性。为解决基于游标效应增敏的光纤微腔传感器温度交叉敏感问题,提出控制并联光纤干涉仪参数以及结合敏感材料消除温度串扰并实现高灵敏度测量的方案。设计并制备并联双腔游标效应增敏的光纤气压传感器,通过紫外(Ultraviolet,UV)胶薄膜提高气压传感性能,并通过控制传感珐布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)腔长和UV胶膜厚度消除温度串扰,该传感器在0.1 MPa至0.7 MPa的气压范围内气压灵敏度可达-38.3 nm/MPa,且20℃至90℃的温度范围内温度不敏感。在此基础上,设计并制备并联聚合物复合腔游标效应增敏的光纤温度/气压传感器,利用两光纤FPI不同传感特性以及结合敏感材料实现温度和气压的高灵敏度测量。结合聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)胶和UV胶特性以及光学游标效应增敏,该传感器展现出10.29 nm/℃的温度灵敏度和-36.93 nm/MPa的气压灵敏度。为提高基于游标效应增敏的光纤微腔传感器的灵敏度,利用双游标效应理论实现传统游标效应的二次增敏。设计并制备并联空气-紫外胶腔双游标效应增敏的光纤气压传感器,通过两光纤FPI具有相反气压响应的特性实现双游标效应。利用UV胶特性以及双游标效应增敏,该传感器的气压灵敏度可达131.88nm/MPa。设计并制备并联PDMS胶填充腔双游标效应增敏的光纤温度传感器,利用两光纤FPI具有相反温度响应的特性实现双游标效应。结合PDMS胶特性以及双游标效应增敏,该传感器的温度灵敏度可达7.61 nm/℃。为满足高集成度、高灵敏度光纤传感器的应用需求,结合孔助光纤结构特点和光学游标效应,提出光纤干涉型传感器集成和增敏的方案。设计并制备级联空气-石英腔游标效应增敏的集成光纤气体折射率传感器,利用孔助单芯光纤(Hole-assisted One-core Fiber,HAOCF)包层气孔作为待测气体传输通道实现气体折射率传感。结合HAOCF特性以及光学游标效应增敏,该传感器的气体折射率灵敏度可达-9462.4 nm/RIU,且气体折射率-温度交叉灵敏度仅为8.7×10-6RIU/℃。设计并制备混联光纤干涉仪游标效应增敏的集成光纤温度传感器,利用孔助悬芯光纤(Hole-assisted Suspended-core Fiber,HASCF)结构特点以及填充PDMS胶实现混联光纤干涉仪结构。结合HASCF特性、PDMS胶特性以及光学游标效应增敏,该传感器的温度灵敏度可达-19.22 nm/℃。
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