D型光纤干涉器件传感研究

发布时间：2017-08-17 00:13

  本文关键词：D型光纤干涉器件传感研究

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【摘要】：相较于普通光纤,D型光纤具有两个优点,首先,D型光纤纤芯距离外界环境更近,对外界环境的变化更加敏感,其次,D型光纤的侧面为一个平面,便于激光微加工系统的聚焦和刻蚀。基于D型光纤的这些优点,对D型光纤干涉器件的传感特性进行了研究,研究制作了开放式的法珀压力传感器和串联型分布式折射率传感器。本文研究的主要内容如下:(1)设计制作了一种D型光纤珐珀压力传感器,该压力传感器由一个开放式珐珀腔构成,其传感原理主要基于折射率会随压力的改变而发生变化,传感器具有较高的灵敏度,压力与温度的交叉敏感性极低,并且能够实现对动态压力的快速响应。该D型光纤开放式珐珀压力传感器采用研磨抛光工艺和157nm激光微加工工艺制作而成,将其封装后进行了静态气压与动态气压的性能测试,并同时与传统封闭式光纤压力传感器进行了对比试验。实验结果表明该压力传感器的灵敏度高达1.6749rad/MPa,远高于封闭式珐珀压力传感器的灵敏度,线性度约为99.83%,具有良好的稳定性以及温度不敏感特性,并且传感器具有良好的动态响应特性,其对脉冲压力的响应时间达到了0.88ms。(2)制作了一种D型光纤珐珀折射率传感器,该折射率传感器的基本结构为一个法珀腔,并且珐珀腔的腔长达到厘米量级,同时基于矢量网络分析仪搭建了一套微波测试系统,实现了在微波频域上,对该D型光纤珐珀折射率传感器进行性能测试。通过实验测试了折射率传感器的灵敏度约为5.08MHz/RIU,并具有良好的线性度、稳定性及重复性。将多个这种D型光纤珐珀折射率传感器进行串联连接,在该微波测试系统上能够对不同传感器进行分辨,并能够实现其中任意一个传感器的灵敏度等性能进行测量,从而实现了折射率传感器的串联分布式测量。(3)提出了一种D型光纤周期性结构,结构由纤芯和空气腔的周期性分布构成,由于纤芯和空气腔的高折射率差,在分界面上会形成较高的反射,因此可以极大地减少传统光栅的周期数,并且仍能获得较高的反射峰。使用有限元分析软件COMSOL Multiphysics对D型光纤周期性结构进行模拟仿真,并通过改变空气腔部分的折射率、周期性结构的各参数研究分析其光谱的变化情况。
【关键词】：D型光纤 光纤珐珀 周期性结构 COMSOL
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212;TN253
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究背景及意义11-14
• 1.2 光纤传感技术简介14-15
• 1.3 光纤传感器分类15-20
• 1.3.1 干涉型传感器15-17
• 1.3.2 电磁式传感器17-18
• 1.3.3 光纤光栅18-20
• 1.4 微结构光纤传感器的发展及研究现状20-21
• 1.5 本论文的主要内容21-23
• 第二章 光纤珐珀传感器及有限元法介绍23-34
• 2.1 光纤珐珀传感器干涉原理23-24
• 2.2 光纤珐珀传感器的分类24-26
• 2.2.1 本征型光纤珐珀传感器24-25
• 2.2.2 非本征型光纤珐珀传感器25-26
• 2.2.3 线型复合腔光纤珐珀传感器26
• 2.3 光纤珐珀压力传感器的分类26-28
• 2.3.1 膜片式光纤珐珀压力传感器26-28
• 2.3.2 侧壁式光纤珐珀压力传感器28
• 2.4 有限元法基本理论28-30
• 2.4.1 电磁场基本方程28-29
• 2.4.2 边界条件29
• 2.4.3 有限元法求解的基本步骤29-30
• 2.5 有限元分析软件COMSOL介绍30-33
• 2.5.1 COMSOL软件建模流程30-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第三章 D型光纤压力传感器34-47
• 3.1 传感器结构及仿真34-37
• 3.2 传感器的制作工艺37-39
• 3.3 传感器理论分析39-40
• 3.4 传感器对压力与温度的响应测试40-46
• 3.4.1 传感器的压力灵敏度40-43
• 3.4.2 传感器对温度的响应43-44
• 3.4.3 传感器的动态压力测试44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第四章 D型光纤折射率传感器47-70
• 4.1 分布式传感测试系统47-54
• 4.1.1 串联型分布式光纤传感47-48
• 4.1.2 分布式系统理论与仿真48-53
• 4.1.3 分布式传感测试系统搭建53-54
• 4.2 D型光纤折射率传感器结构54-55
• 4.3 实验结果55-60
• 4.3.1 折射率灵敏度测试55-57
• 4.3.2 传感器稳定性测试57-58
• 4.3.3 传感器的测量重复性58-59
• 4.3.4 传感器的串联分布式测量59-60
• 4.4 实验结果分析60-61
• 4.5 D型光纤周期型结构61
• 4.6 COMSOL软件模拟D型光纤周期性结构61-66
• 4.6.1 建立D型光纤周期性结构几何模型61-62
• 4.6.2 几何模型端口及边界条件设置62
• 4.6.3 划分网格62-63
• 4.6.4 求解63-64
• 4.6.5 结果分析64-65
• 4.6.6 D型光纤周期性结构不同折射率仿真65-66
• 4.7 D型光纤周期性结构不同结构参数的COMSOL仿真66-68
• 4.7.1 不同周期数的D型光纤周期性结构仿真66-67
• 4.7.2 不同周期的D型光纤周期性结构仿真67-68
• 4.7.3 被刻蚀部分占空比不同的D型光纤周期性结构仿真68
• 4.8 D型光纤周期性结构实现68
• 4.9 本章小结68-70
• 第五章 全文总结与展望70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-76
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果76-77

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本文编号：686206