薄膜式光纤压力传感技术研究

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随着光纤传感技术的进步,光纤传感器已经应用在航空、工业、医学、军事等领域,用于温度、压力、应变等参数的测量。与传统压力传感器相比,光纤压力传感器因响应速度快、灵敏度高、尺寸小、抗电磁干扰能力强等优点,已成为压力测量领域的一个重要发展方向。本文基于冲击波压力测量背景,对薄膜式光纤法珀传感器展开研究。主要研究内容有以下几个方面:(1)光纤法珀传感器的介绍与理论分析。对光纤法珀传感器的两种典型结构和国内外研究现状进行介绍;论述多光束干涉原理,研究不同反射率下的反射光谱特性;分析薄膜式光纤法珀传感器受压后,薄膜上下表面的位移矢量及光学相位的变化。(2)薄膜式光纤法珀传感器的设计与仿真。根据实验需求,设计金-派瑞林-金三层膜结构的光纤法珀传感器,金膜作为法珀腔反射面,用于提高反射率,派瑞林作为法珀腔腔体,用于感受外界压力;利用有限元软件仿真传感器,包括波动光学模块下电磁场能量分布、传感器反射率以及结构力学模块下的模型受力、谐振频率、法珀腔形变量等,优化传感器结构参数。(3)解调方法的对比及验证。介绍光纤法珀传感器的解调方法包括相位解调和强度解调,分析其中的优缺点;根据冲击波信号特点,选择强度解调法对传感器进行解调;提出一种单波长相位余弦强度解调算法,对算法进行理论分析,验证算法的可行性。(4)薄膜式光纤法珀传感器的封装与测试。完成传感器的静态压力测试封装和动态压力测试封装;设计搭建传感器静态压力标定和测试系统,对传感器的量程、线性度、稳定性等静态特性进行实验。结果表明,60 MPa压力测量范围内,传感器腔长变化18.8 nm,与有限元仿真结果基本吻合;设计搭建传感器动态压力测试系统,利用灯泵YAG激光器对合金靶材进行电离,产生微小爆炸。使用薄膜式光纤法珀传感器对爆炸产生的冲击波信号进行采集和测量,所测冲击波信号的最快上升时间为96 ns,最大压力为7.87 MPa,所测结果与冲击波信号的压力特性相吻合。
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