基于膜片形变的非本征法布里—珀罗干涉光纤低压传感器的研究
发布时间：2020-04-29 21:15
【摘要】：通过对油库储藏设施的液位压力、水库大坝的渗压、特殊环境的声波信号以及生物体内压力的高灵敏和精确监测,准确获取压力/压强信息,对这些领域的安全生产和经济效益的提高有重要意义。光纤传感技术因体积小、重量轻、本质安全、灵敏度高、抗电磁干扰等优点而成为上述领域压强监测的研究热点。本文将围绕DEFPI(Diaphragm-Deformation-Based Extrinsic Fabry-Perot Interferometric)光纤低压传感器的结构设计、制备技术和材料选取展开深入研究,提高传感器的性能。论文的主要工作如下:对DEFPI光纤传感器的基本原理、膜片的形变机理和测压原理作了详细分析,深入讨论了 DEFPI光纤传感器输出信号质量的各影响因素以及F-P光纤传感器干涉信号的解调算法,分析了采用干涉-强度解调方法探测动态压力时工作点稳定的问题。为了提高传感器的性能研究了熔融石英材料与激光的相互作用,在此基础上提出了全激光焊接熔融石英材料的DEFPI光纤传感器。结合先进的微机电控制系统,设计并搭建了激光焊接的光路系统,研究了熔融石英材料的CO2激光热传导焊接和深熔焊接工艺,实现了 30μm厚的超薄熔融石英膜片的热传导焊接,首次提出了激光深熔点焊的方法将光纤固定在准直毛细管内壁,同时激光焊接的过程中形成F-P腔的导气孔,导气孔对改善温度压力交叉敏感性等性能有重要作用。相对传感器的激光环形焊接,激光深熔点焊能够有效提高传感器的性能,降低制备工艺要求。利用设计、制备的DEFPI光纤低压传感器进行了实际应用的可行性评估。首先,利用传感器对12m量程的水位进行了测试,灵敏度为52.5nm/m,分辨率为6.8Pa(0.7mm的水位),迟滞误差为0.06%F.S.,温度交叉敏感性为0.013nm/℃。针对大温度变化环境的应用,采用了 FBG(Fiber Bragg Grating)与F-P(Fabry-Perot)腔串联复用的方式进行温度补偿,利用316L不锈钢封装后在100℃范围内实现了有效补偿。其次,针对水库大坝渗压的监测需求,修改设计了熔融石英材料的传感器结构,并将其应用于O～1MPa的渗压监测。结果表明,传感器的分辨率为2.3Pa,迟滞特性为0.021%F.S.,压强的长期波动范围约为0.8kPa。第三,针对动态压力测量时传感器的工作点稳定问题,设计了基于ASE(Amplified Spontaneous Emission)光源结合可调谐F-P滤波器的方案解决动态压强测量时工作点的漂移问题,并将传感器应用于变压器油中40kHz的超声波信号测量,灵敏度为 6.59mV/kPa。针对生物体内的压力测量需求,提出了具有生物相容性的壳聚糖作为膜片材料,采用戊二醛活性基团交联的方法对壳聚糖进行改性,分析并设计了交联壳聚糖膜的制备工艺以及与熔融石英准直毛细管端面的稳固结合方法,制备了致密性高、杨氏模量为900MPa、折射率为1.73、与毛细管端面粘附力强的壳聚糖压力敏感膜片,构成基于改性壳聚糖薄膜的DEFPI光纤低压传感器。利用传感器对模拟颅内压的环境进行监测,在0～24.4kPa的量程内,其灵敏度为25.79nm/kPa,分辨率为1.2Pa,迟滞误差为0.16%F.S.,考虑不同温度时水密度的变化与水位测量的可读性误差后,传感器的测量误差为9.7Pa,即0.04%F.S.,连续15天的稳定性考核中,最大压强波动为0.121kPa。
【图文】：
（ｈｉ逡逑图１．２非本征型Ｆ－Ｐ干涉光纤传感器，（ａ）非膜片形变结构，（ｂ）膜片形变结构逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＥＦＰＩ邋ｆｉｂｅｒ邋ｓｅｎｓｏｒ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋（ａ）邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｄｉａｐｈｒａｇｍ－ｆｒｅｅ逡逑ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，邋（ｂ）邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｄｉａｐｈｒａｇｍ邋ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ逡逑１９８丨年，Ｐｅｔｕｃｈｏｗｓｋｉ邋Ｓ邋Ｊ等人［７１１根据Ｆ－Ｐ干涉仪具有很高的条纹锐利度以及很高逡逑－
－空气间隙－反射镜构成。ＥＦＰＩ光纤传感器可以直接响应环境介质的压强变化，特别是采逡逑用薄膜片作为Ｆ－Ｐ腔的一个反射面的ＥＦＰＩ传感器对环境压力的变化特别敏感，是一种逡逑典型的光纤压力传感器结构［６５＿７ｅ］。ＩＦＰＩ与ＥＦＰＩ型光纤传感器的典型结构如图１．１和１．２逡逑所示。逡逑ｌ．ｃａｄ－ｉｎ邋ｆｉｂｅｒ逦Ｐａｒｔｉａｌ邋ｍｉｒｒｏｒ逦ｌ．ｅａｄ－ｏｕｔ邋ｆｉｂｅｒ逡逑１逦、逦ｉｌｌ；逦＜逡逑［逦Ｕ－ｉ－Ｔ逡逑图１．１本征型Ｆ－Ｐ干涉光纤传感器结构逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＩＦＰＩ邋ｆｉｂｅｒ邋ｓｅｎｓｏｒ逡逑Ｆ－ｃｒｒｕｌｃ逦Ｈｉａｐｈｒａｉｉｍ逡逑Ｌｅａｄ－ｉｎ邋ｆｉｂｅｒ逦Ｋｃｔｌｃｃｌｃｄ邋ｆｉｂｅｒ逦Ｏｎｉｃｉａｌ邋ｌｉｂｅｒ逦＾逡逑■——．￣￣—ｒ－５＊——Ｓ逦１逦Ｉ＾，，逡逑Ｍ逦？逡逑＇邋%煎澹㈠澹у澹掊澹у我唬危垮义希茫椋欤酰螅箦澹悖幔穑椋椋欤幔颍鲥澹欤酰猓邋义希酰铄危耍义希颍椋埽悖溴澹幔颍澹徨义希ǎ瑁殄义贤迹保卜潜菊餍停疲懈缮婀庀舜衅鳎ǎ幔┓悄て伪浣峁梗ǎ猓┠て伪浣峁瑰义希疲椋纾澹保插澹樱悖瑁澹恚幔簦椋沐澹洌椋幔纾颍幔礤澹铮驽澹簦瑁邋澹牛疲校慑澹妫椋猓澹蝈澹螅澹睿螅铮蝈澹猓幔螅澹溴澹铮铄澹ǎ幔╁澹螅簦颍酰悖簦酰颍邋澹铮驽澹洌椋幔穑瑁颍幔纾恚妫颍澹邋义希洌澹妫铮颍恚幔簦椋铮睿澹ǎ猓╁澹螅簦颍酰悖簦酰颍邋澹铮驽澹洌椋幔穑瑁颍幔纾礤澹洌澹妫铮颍恚幔簦椋铮铄义希保梗肛
本文编号：2645009
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