【摘 要】
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温度传感在工业生产、航空航天、医疗卫生、食品加工等行业均有广泛的研究与应用价值。传统的电传感器一般都是单点式测量,而且无法在剧烈电磁扰动的环境下正常工作。光纤传感器因其灵敏度高、抗干扰能力强、易于实现复用等优点,受到越来越多关注。本论文将结合光纤传感器的优点,设计了一种基于法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)结构的温度传感器,围绕着增大灵敏度与实现复用
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温度传感在工业生产、航空航天、医疗卫生、食品加工等行业均有广泛的研究与应用价值。传统的电传感器一般都是单点式测量,而且无法在剧烈电磁扰动的环境下正常工作。光纤传感器因其灵敏度高、抗干扰能力强、易于实现复用等优点,受到越来越多关注。本论文将结合光纤传感器的优点,设计了一种基于法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)结构的温度传感器,围绕着增大灵敏度与实现复用开展研究,主要研究内容如下:(1)推导FPI的原理,并详细分析低精细度FPI的反射光谱,探讨干涉仪的腔长和端面反射率对干涉光谱的影响。提出一种基于单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)端面与紫外胶端面构成的低精细度FPI结构的温度传感器,由于紫外胶具有较大的热膨胀系数,在20℃~24℃的温度测试实验中,通过光谱解调,该传感器获得了高达-2.88nm/℃的灵敏度,且具有极好的线性度。(2)引入游标效应,对FPI温度传感器进行增敏。详细推导两个级联FPI产生游标光谱的原理,以及游标效应对灵敏度的放大系数。熔接SMF与熔融二氧化硅毛细管构成参考FPI干涉仪,与所制备的传感干涉仪级联形成游标效应。通过拟合游标光谱的下包络并追踪其最小值所对应波长,即可解调出外界温度。在20℃~24℃的温度测试实验中,根据两个FPI腔长差的不同,分别得到了33.06/nm℃、-58.60nm/℃、67.35nm/℃的超大灵敏度,且与理论预测相吻合。(3)提出波数光谱主频精确识别算法对低精细度FPI腔长进行解调,该算法基于Rife算法,具有较高的估算精度。将该算法应用于FPI温度传感器中,可显著增大温度探测范围。另外,该算法还应用于FPI传感单元的并联复用中,在实验条件下成功实现了无串扰的温度传感,并基于此提出了FPI传感器的三维复用网络设计。
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