微流体流速光纤测量技术研究及应用

发布时间：2020-08-07 10:48

【摘要】：本文主要研究的内容是微流速的光纤测量。对两种类型微流速测量传感器结构做了研究和讨论,具体内容如下:1.提出并实现了基于光纤Sagnac环的微流速测量系统,传感部分由一段保偏光纤形成光纤Sagnac环来构成。当被测微流体的流速发生变化时,保偏光纤的侧压力随之发生改变,进而引起测量系统输出干涉谱波长的漂移,通过监测干涉谱的漂移量即可获得微流体的流速。2.提出并实现了基于FBG嵌入型光纤Sagnac环的微流速传感系统,其传感部分由布拉格光纤光栅(FBG)串联保偏光纤形成光纤Sagnac环构成,FBG主要用于温度传感,保偏光纤用于微流速传感。实验测量结果表明,相比已报道的光纤光栅微流速传感装置,改系统在微流速测量范围和精度上均有明显提高。3.提出并实现了基于双光纤Sagnac环级联的微流速传感测量系统,该系统中两个光纤Sagnac环中保偏光纤的长度分别为1.44m和1.5m。相比与单光纤Sagnac环,其微流速的测量灵敏度提高大约3倍。4.提出并实现了基于光纤F-P腔的微流速传感测量系统,该系统的光纤F-P腔传感部分由光纤适配器、单模光纤和聚乙烯薄膜构成。通过监测测量系统的反射光谱变化,实验获得了被测微流体的流速。此外,研究了不同光纤F-P腔长对微流速测量灵敏度的影响,测量了流速恒定下不同微流体对系统反射光谱的影响。
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH814
【图文】：

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中国计量大学硕士论文合，如建筑物的裂缝，高温区，辐射区等人无法进入的区域，光纤传感技术的发展开始于二十世纪七十年代，是光学电子技术发展最活跃的一个分支[10][11]。由于光纤具有其他电子传感器无法企及的优点。光纤传感技术一问世就受到非常大的重视，几乎在各类领域都得到探究与运用，成为传感领域的发展先锋技术，推动了传感技术蓬勃的发展，光纤传感的问世是的传感技术进入在微时代[12]。目前，世界上光纤传感领域的发展主要分为两个大方向：光纤传感技术的研究及其在各个领域的应用开发研究。近十余年，光纤传感技术发展迅猛，光纤传感器也越来越被重视，比如光纤光栅、波分复用技术、分布式传感器、干涉型传感器都是当今世界探究的热点[13]-[18]。干涉型光纤传感器是由于外界信号作用到干涉仪上，引起干涉信号相位的变化，通过对相位的解调来反应外界信号。干涉型光纤传感器包括光纤 Michelson 干涉仪[19]，光纤 Sagnac 干涉仪[20]和光纤 Fabry Pérot 干涉仪[21]。本文重点对光纤 Sagnac 干涉仪和光纤 Fabry Pérot 干涉仪做了传感研究。

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以它结果简单，灵敏度高，被广泛用于于军事Richard O Claus 等人[39]通过坚持不懈的实验和理折射光纤 Sagnac 环输出光谱分析图，为以后研究这论基础和图像参考。 2007 年，Guoyong Sun[40]等人两段不同长度和不同折射率的光纤结构，该结构实

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图 1. 3 基于 3-dB 耦合器的光纤 Sagnac 干涉仪示意图1.3.2 光纤 F-P 传感技术光纤 F-P 型传感器[41]以其结构简单，体积小，安装方便，高可靠性，高灵敏度，快时间响应，单光纤信号传输等优点受到人们普遍的关注，并成为近年来光纤传感技术及其应用研究的热点之一。光纤 F-P 传感器[42]可用于灵巧结构内应变、应力、温度、压力、变形、振动和位移等物理量的连续实时的安全检测。王安波[43]等人研制了基于多种光纤法布里—珀罗传感头结构及解调机理的光纤压力、温度、振动、加速度等一系列传感器，并在石油、电力等工业领域的温度、压力等测量中取得了重大成就[44]-[52]。光纤 F-P 传感探头工作原理是根据在波动光学范畴中平行玻璃或者是两块玻璃之间存在着空气夹层，在其中间会发生多光束干涉[53]。从而在两块平行平板(半透半反面)形成一个光学反射腔。平行光能够以任意角度入射光纤 F-P 腔后，在两镜面之间发生多次反射和透射并形成干涉。图 1.4 是法布里—珀罗干涉仪的原理示意图。图 1. 4 法布里—珀罗干涉仪的原理示意图

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