基于光纤F-P腔的水下冲击波压力传感器的研究

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随着光纤传感技术的发展和普及,各式各样的光纤传感器被开发出来,其中光纤压力传感器现已广泛应用于生物、医学、工业等各项测量领域中,光纤压力传感器具有许多显著的优点,比如:信号通过光纤传输,衰减极弱,可以适用于超远距离传输;其次,光纤自身具有抗电磁干扰、耐高温、耐化学腐蚀的特性,在各种恶劣的条件下也能正常工作;最后,光纤压力传感器体积小、响应速度快,具有极高的时空分辨率,可以满足各种测量需求,且光纤成本极低,非常适合于大规模制造和一次性测量的使用。本文针对体外冲击波碎石机产生的水下冲击波的压力测试需求,对全石英光纤法布里珀罗压力传感器进行了研究。本文首先介绍了光纤传感器的基本工作原理和解调机制,分析了光纤传感器的两种基本类型。介绍了光纤法布里珀罗传感器的基本组成,以及国内外研究现状。对光纤法布里珀罗传感器的典型结构和干涉原理进行了的介绍,给出了法布里珀罗干涉仪细度和反射率的关系曲线,介绍了光纤法布里珀罗传感器的几种主流的解调方法,介绍了光纤法布里珀罗传感器的复用解调手段——三波长解调。重点研究了全石英膜片式光纤法布里珀罗压力传感器的设计与制造。给出了传感器的三光束干涉输出表达式,通过曲线拟合一次性获得传感器三个端面的反射率、F-P腔长和膜片厚度,研究了非本征F-P腔传感器的腔内损耗问题,给出了在考虑腔内损耗的情况下,传感器的干涉条纹可见度和腔长的关系曲线。详细介绍了毛细石英管的切割和熔接问题,给出了F-P腔传感器的腔长切割控制方法,讨论了传感器膜片外表面反射光的干扰及消除手段并对F-P腔传感器敏感膜片的制造和加工工艺进行了研究。最后,基于活塞式压力标定机对传感器进行了静态标定,建立了水下冲击波测试实验系统,以电磁式体外冲击波碎石机作为压力源,对传感器进行了水下冲击波实测。实验表明,传感器灵敏度达到3.42 DEG MPa-1,线性度0.9975,传感器正程重复性为0.0341%,逆程重复性为0.0331%,传感器的动态响应时间不超过0.62μs,满足水下冲击波的测试需求,传感器的耐受性实验表明,用于实验的传感技术可以在破裂前承受18次峰值压力为60MPa的冲击波的侵彻。
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