光纤传感器在多参量测量方面的应用研究

发布时间：2017-10-23 02:15

  本文关键词：光纤传感器在多参量测量方面的应用研究

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【摘要】：近年来,光纤传感器引起了广泛的研究关注。与传统的电子传感器相比,光纤传感器具有绝缘抗电磁和原子辐射干扰、耐高温和耐腐蚀、与光纤通讯网络无损耗连接、分布式测量、远距离测量和便于复用等独特优点,被广泛用于温度、应力、折射率等传统物理量的测量以及相对湿度、磁场等新型传感参量的测量。本文重点研究了五种功能化的新型光纤传感器,主要研究内容包括:1.提出了一种基于布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)反射率比测量的光纤磁场传感器,由FBG级联磁流体包覆的平整光纤端面构成。外界磁场强度的变化通过磁流体折射率的变化进而影响了光纤端面的菲涅尔反射率的变化,即对FBG反射谱的背景光强进行调制,而FBG的反射峰强度对外界磁场并无变化。通过解调上述两者的强度差,实现了对外界磁场的传感。2.提出了一种基于FBG反射率比测量的光纤重金属离子浓度传感器,由普通FBG级联镀膜功能化的光纤端面构成。通过层层自组装技术(Layer By Layer),将核聚糖(Chitosan)和聚丙烯酸(Poly Acrylic Acid,PAA)直接镀在平整的光纤端面上,形成膜结构(Chitosan/PAA Coating)。当Chitosan/PAA Coating吸附溶液中的镍离子时,光纤端面的菲涅尔反射率因Chitosan/PAA Coating的折射率变化而改变。通过解调光谱的反射率比,实现溶液中重金属镍离子的浓度探测。3.提出了一种基于聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)镀膜的倾斜光栅(Tilted Fiber Bragg Grating,TFBG)级联啁啾光栅(Chirped Fiber Bragg Grating,CFBG)的光纤相对湿度传感器。利用PVA的湿敏特性,PVA的折射率变化调制TFBG的传输谱,根据TFBG的包层模的调制波长范围选取适配的CFBG反射带宽,因而反射光信号再次被TFBG调制,实现从20%RH到85%RH范围的相对湿度传感。4.提出了一种基于迈克尔逊(Michelson)干涉仪的微型高掺锗光纤温度光纤传感器,由一小段以二氧化锗为纤芯,二氧化硅为包层的高掺锗光纤(Ge-fiber)熔接在普通单模光纤上构成。由于传感单元Ge-fiber的纤芯和包层之间具有较大的折射率差,较短长度的Ge-fiber能够产生相对合适的自由光谱范围,使得高精度的温度测量得以实现。5.提出了一种基于Sagnac环的人类平滑肌(Smooth Muscle Cells,SMCs)细胞牵引力传感器,将一段单模偏振保持光纤(Polarization-Maintaining Fiber,PMF)预埋在聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)形成的微型凹槽,PMF两端分别连接50:50的单模光纤耦合器构成Sagnac环。平滑肌细胞生长过程产生的细胞牵引力通过由PDMS形成的微型凹槽进行力传导。由于PMF的应力敏感特性,通过解调Sagnac环的波长漂移,实现细胞牵引力的传感。
【关键词】：光纤传感器 多参量测量 化学传感 生物传感
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1 绪论14-21
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 光纤传感器的基本原理15-18
• 1.2.1 几种典型的光纤传感器15-18
• 1.3 光纤传感器多参量测量的应用18
• 1.4 本论文的主要研究内容及创新点18-21
• 1.4.1 研究内容18-19
• 1.4.2 本论文的创新点19-21
• 2 基于FBG反射率比测量的光纤磁场传感器21-28
• 2.1 引言21
• 2.2 研究现状21-22
• 2.3 工作原理和结构22-24
• 2.3.1 纳米磁流体的工作原理22
• 2.3.2 实验装置22-23
• 2.3.3 传感器的结构23
• 2.3.4 传感器的工作原理23-24
• 2.4 实验结果与讨论24-27
• 2.5 本章小结27-28
• 3 基于FBG反射率比测量的光纤重金属离子浓度传感器28-35
• 3.1 引言28-29
• 3.2 实验装置与原理29-30
• 3.2.1 实验装置29
• 3.2.2 传感器的制作29-30
• 3.2.3 传感器的工作原理30
• 3.3 实验结果与讨论30-33
• 3.4 本章小节33-35
• 4 基于PVA-TFBG级联CFBG的光纤相对湿度传感器35-41
• 4.1 引言35
• 4.2 实验装置与原理35-38
• 4.2.1 传感器制作及工作原理35-37
• 4.2.2 实验装置37-38
• 4.3 实验结果与讨论38-40
• 4.4 本章小结40-41
• 5 基于Michelson干涉仪的微型高掺锗光纤温度传感器41-47
• 5.1 引言41
• 5.2 传感器结构和原理41-44
• 5.2.1 传感器制作和实验装置41-42
• 5.2.2 传感器的工作原理42-44
• 5.3 实验结果与讨论44-46
• 5.4 本章小结46-47
• 6 基于Sagnac环的细胞牵引力光纤生物传感器47-54
• 6.1 引言47
• 6.2 材料和方法47-50
• 6.2.1 细胞培养47
• 6.2.2 有机微型凹槽的制作47-49
• 6.2.3 细胞接种和图像信息记录49-50
• 6.2.4 传感器工作原理50
• 6.3 实验结果和讨论50-53
• 6.4 本章小结53-54
• 7 总结与展望54-56
• 7.1 总结54-55
• 7.2 展望55-56
• 参考文献56-61
• 作者简历61-62

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本文编号：1081145