【摘 要】
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对高温环境下温度、折射率、压力等参量的准确测量是航空航天等领域中的重要研究内容。基于蓝宝石光纤的法珀微腔传感器具有耐高温、精度高、尺寸小、抗电磁干扰等优势,非常适合于高温环境下多参量监测。本文研究了基于蓝宝石光纤的法珀微腔高温环境下多参量传感方法,提出了双蓝宝石光纤自滤波高温传感机制,研究了基于蓝宝石复合法珀双腔和MEMS硅基复合法珀双腔的双参量传感方法,实现了高温环境下温度-折射率、温度-大气压
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对高温环境下温度、折射率、压力等参量的准确测量是航空航天等领域中的重要研究内容。基于蓝宝石光纤的法珀微腔传感器具有耐高温、精度高、尺寸小、抗电磁干扰等优势,非常适合于高温环境下多参量监测。本文研究了基于蓝宝石光纤的法珀微腔高温环境下多参量传感方法,提出了双蓝宝石光纤自滤波高温传感机制,研究了基于蓝宝石复合法珀双腔和MEMS硅基复合法珀双腔的双参量传感方法,实现了高温环境下温度-折射率、温度-大气压力双参量传感。本文的主要工作包括:1、研究了基于蓝宝石光纤的法珀微腔传感干涉光谱信号条纹可见度的影响因素,提出了双蓝宝石光纤自滤波法珀微腔高温传感机制,构建了其光束耦合模型。通过双蓝宝石光纤实现了高温环境下输入、输出光路双通道分路传输。输入光路通道负责将光源信号传递至敏感法珀微腔,在传输过程中,由异质光纤熔接点和蓝宝石光纤端面引入的背景反射光受输入光通道端面反射截止作用,不参与法珀微腔干涉光谱信号叠加,在光路结构上实现了自滤波,输出光路通道接收到的背景反射光大幅减少,干涉信号条纹可见度显著提高。100~1080℃温度实验证明,自滤波传感器干涉光谱条纹可见度在43.96%以上,实现了0.22℃测温分辨率和0.25℃测温稳定性。2、提出了基于蓝宝石光纤和蓝宝石复合法珀双腔的高温环境下温度-折射率双参量传感方法。利用蓝宝石晶片-蓝宝石C型环-蓝宝石反射镜三层结构,构成蓝宝石晶片温度敏感微腔和开放腔式折射率敏感微腔,用于温度和折射率双参量测量,实现了最高1080℃温度和折射率高精度测量。利用开放腔式微腔实现了密闭环境下大气压力测量,将传感应用领域向高温环境下温度-大气压力双参量传感拓展,实现了10~280kPa压力范围内9.225×10-2~6.101×10-1nm/kPa测压灵敏度。3、研究了适用于干涉光谱解调的波峰追踪解调方法和傅里叶频域解调方法的原理,为蓝宝石光纤法珀微腔传感器实现大动态范围、高分辨率物理参量测量奠定了理论基础。研究了基于蓝宝石光纤和MEMS硅基复合法珀双腔的高温环境下温度-压力双参量传感方法。以蓝宝石光纤波导为光信号传输、收集波导,MEMS硅基复合法珀双腔为温度-大气压力敏感单元,构造蓝宝石光纤MEMS硅基复合法珀双腔传感器。利用傅里叶频域解调法结合轮廓识别重建的波峰追踪解调法,对高串扰情况下的MEMS硅基复合法珀双腔干涉光谱信号在频域和波长域分离、提取、解调,实现了最高800℃高温环境下温度与20~280kPa大气压力范围内压力双参量的高灵敏度监测,测温灵敏度为192.9nm/℃,测压灵敏度为7.93nm/kPa。
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