【摘 要】
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光纤传感作为传感器技术中必不可少的部分,已受到普遍关注。离散式光纤干涉型温度传感器具有结构微型化、抗电磁干扰、测量范围广、响应速度快、耐高温等优势,满足恶劣高温环境和生化研究等应用的要求,对现代工业制造业、国防安全和现代生物技术产业具有重要意义。本文针对光纤温度传感器的结构和制作方法复杂,没有封装保护措施,易产生交叉传感,高温稳定性差以及温度传感灵敏度低等问题,开展了耐高温光纤干涉型微结构温度传感
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光纤传感作为传感器技术中必不可少的部分,已受到普遍关注。离散式光纤干涉型温度传感器具有结构微型化、抗电磁干扰、测量范围广、响应速度快、耐高温等优势,满足恶劣高温环境和生化研究等应用的要求,对现代工业制造业、国防安全和现代生物技术产业具有重要意义。本文针对光纤温度传感器的结构和制作方法复杂,没有封装保护措施,易产生交叉传感,高温稳定性差以及温度传感灵敏度低等问题,开展了耐高温光纤干涉型微结构温度传感和温度灵敏度增强方法的理论和实验研究,研究工作如下:对光纤inline干涉型温度传感结构进行理论分析和数值模拟,为设计光纤马赫-曾德尔干涉仪（MZI）传感结构、光纤法布里-珀罗干涉仪（FPI）传感结构和光纤多模干涉仪（MMI）传感结构提供理论支撑和指导。针对大多数光纤温度传感结构和制作过程复杂,易出现交叉传感的问题,提出了一种用熔融拼接技术制作的基于悬芯光纤（SCF）的耐高温光纤MZI温度传感器。分析了光纤MZI温度传感结构的工作原理和透射光谱特征,研究了温度传感特性和交叉传感特性。透射式的光纤MZI温度传感器不利于应用在单向进入的测量环境中,提出通过简单切割与熔融拼接的制作方法,用SCF构建端面封装的耐高温光纤FPI温度传感器。结合理论和实验分析了基于SCF的光纤FPI温度传感器的反射光谱特征,研究了在50-800℃大动态范围内的温度传感特性,在50-500℃范围内和500-800℃范围内的最大重复灵敏度误差分别约为0.13 pm/℃和0.36 pm/℃,波长稳定性误差小于62 pm,并验证了端面封装对传感器起到的保护作用,解决了交叉传感问题。依赖光纤传感结构固有的热光效应和热膨胀效应实现的温度传感灵敏度低,针对这个问题提出了利用并联光纤FPIs结构产生光学游标效应（vernier effect）实现温度灵敏度增强的方法。理论分析了并联光纤FPIs结构实现温度灵敏度放大倍数可调控的可行性,研究了并联光纤FPIs结构的温度传感特性,得到在50-500℃和500-800℃范围内的线性平均温度灵敏度分别为64.6 pm/℃和102.1 pm/℃,将光纤FPI温度传感器的灵敏度提高了约6.7倍。此外,为进一步提高光纤温度传感器的灵敏度,提出了一种异丙醇封装多模微光纤结构在小动态范围内实现温度增敏的方法。实验结果证明了在25-50℃范围内,通过该增敏方法可将温度灵敏度提升至数纳米每摄氏度,微光纤直径越小,温度灵敏度越高,获得的最高温度灵敏度为4.12 nm/℃,相比依赖光纤本身的热光效应和热膨胀效应实现的温度传感灵敏度提高了2个数量级。这种温敏材料封装微光纤结构的方式不但能提高温度灵敏度,而且可以保护微光纤结构,增加机械强度。本文利用具有特殊空气孔包层结构和耐高温特性的SCF作为传感部件,简化了光纤干涉型温度传感器的结构和制作流程,不但实现了结构微型化,还避免了额外的封装,在大动态温度范围内取得了很好的温度传感可重复性、可逆性和稳定性,对于恶劣高温环境的应用具有潜在的意义。利用光学游标效应和增敏材料封装微光纤结构有效提高了温度灵敏度,在一定程度上弥补了光纤干涉型温度传感器的一些不足。
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