并联法布里-珀罗干涉型光纤气压传感器

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气体压强作为重要的物理参数,在众多研究领域占有举重若轻的地位。相较于传统的电学气压传感器来说,光纤气压传感器因其结构紧凑、灵活配置、成本效益高等优势,在航天工程、医学医疗以及气象监测等领域具有重大的应用潜力。本论文的工作以法布里-珀罗干涉(FPI)为传感原理,在低成本、低温度串扰、制备简单的基础上,以增加F-P干涉型气体压强传感器的气压灵敏度为目标,采用镀膜技术和高温加热熔融技术,结合游标效应增敏原理,提出和验证了两种并联型光纤FPI型气体压强传感器,主要内容如下:(1)理论研究了FPI干涉原理以及气压传感原理,仿真分析了游标效应产生原理以及其增敏原理,探究不同自由光谱范围(FSR)差值对叠加光谱的影响,以及对游标增敏后的放大倍数的影响,为后续实验提供理论依据。(2)设计制备了并联封闭腔气压传感器,其中传感腔采用氧化石墨烯作为基底镀金膜形成反射面,参考腔采用刚性材料反射面,二者并联实现游标增敏的目的。制备不同长度的参考腔,探究不同腔长差的并联结构气压放大效果的差异。通过测量三组不同腔长差的数据,得到了27.87、52.69和-88.94 nm/MPa的气压灵敏度,放大倍数分别为7.2、13.61和22.98倍,实验结果表明,通过减小参考腔与传感腔二者的腔长差,能够使并联结构的灵敏度得到进一步提高。最后对该结构进行了多次的循环实验,确保本文提出的并联结构的稳定性和可靠性。(3)设计制备了一种游标增敏的并联型开放腔气压传感器,其中传感腔采用SMF的端面为反射面,高温熔融玻璃毛细管形成空气孔实现F-P腔内外空气的流通,参考腔采用单模光纤(SMF)、空芯光纤(HCF)、SMF直熔,SMF与HCF的交界面为反射端面。制备不同长度参考腔样品,与单个开放腔并联,利用游标效应达到增敏效果。实验结果表明,随着腔长差的增加,灵敏度分别达到了601.29、-316.35和236.34 nm/MPa,与单个传感腔比,放大倍数分别为14.87、7.82、5.84倍。此外,对该传感器进行温度响应分析,得到温度串扰仅为6 KPa/℃,具备很好的实用性。
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