基于F-P干涉仪与ARROW结构的光纤温/湿度传感技术的研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:maenzehai
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光纤传感器因其结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰等特点广泛的应用于航天航空、冶金、医疗等领域中。其中干涉型光纤传感器光学稳定性高、动态响应范围大,可以长期工作于高压、高温、强腐蚀等特殊环境下。近十几年,国内外学者的研究重点都在干涉型光纤传感器上。本文在干涉型传感器研究的基础上结合传感器的制备技术设计并制作出两种实现湿度、温度新型的光纤传感结构。传感结构法布里珀罗腔和反谐振反射波导为主,结合石英管、光纤光栅、聚合物薄膜组成。主要内容如下:理论方面:(1)对F-P腔的干涉以及传感机制进行了分析和讨论,并结合本文中提出的全新的F-P腔结构,对其干涉光谱与传感的灵敏度进行了讨论。(2)利用MATLAB工具对传感器中传感相的参数与灵敏度以及光谱的关系进行了理论分析。(3)整理并归纳了ARROW结构的传光特性与谐振原理。(4)利用COMSOL有限元分析软件详细讨论了不同参数的传感器样品的传光模式。实验方面:(1)提出了一种基于法布里珀罗谐振结构的温度、湿度双参量传感器。分析其传感原理并且进行了实验研究,分别对湿度和温度特性进行实验数据测量,并结合光纤光栅补偿机制实现了双参量同时测量。Nafion聚合物薄膜表面的反射光和光纤端面的反射光形成干涉光谱,利用光纤在石英管中的位置可调实现了干涉光谱可调节功能。实验表明Nafion薄膜对温度和湿度均敏感,温度灵敏度为2.71nm/℃,湿度灵敏度为3.78nm/RH%。(2)提出了一种基于反谐振反射光波导的湿度不敏感温度传感器。利用石英毛细管与光纤焊接耦合后,光在其结构中发生类似于法布里珀罗的干涉并得到干涉光谱。使用聚合物薄膜作为温度敏感材料,并通过金属镀膜技术使其对湿度隔绝从而实现传感器对的湿度不敏感。实验表明PDMS薄膜对在一定温度范围内具有良好的线性响应,线性拟合度高达0.997,在特定温度范围内得到的线性灵敏度为201pm/℃。
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