内置悬梁式光纤微腔的制备及其声波传感特性研究

发布时间：2017-09-11 10:46

  本文关键词：内置悬梁式光纤微腔的制备及其声波传感特性研究

  更多相关文章： 法布里珀罗干涉仪 光纤微腔 光纤悬梁 应变传感 声波传感

【摘要】：声波传感技术作为人类探测基础方式之一,一直被不断研究。随着探测领域的不断拓展,传统的声波传感器在灵敏度、环境适应性、尺寸功耗等方面已难以满足探测需求。基于光纤传感技术的全光纤声波传感器,具有灵敏度高、体积小、环境适应性好、抗电磁干扰等优势,吸引了国内外的广泛关注。目前报道的全光纤声波传感器包括光强度调制、光波长调制和光相位调制等。其中,基于光相位调制的光纤微腔法布里珀罗干涉仪,在传感灵敏度、结构小型化、环境适应性等方面具有天然优势,在声波传感领域被广泛研究。本文通过对光纤微腔传感结构的光传输特性进行仿真模拟,研究了腔长对其传感特性的影响,通过将光纤悬梁集成在光纤微腔内,进一步提高光纤微腔的声波传感灵敏度,从理论和实验两方面研究内置悬梁式光纤微腔的应变及声波传感特性,主要研究内容如下:搭建了一种简便的光纤拉锥平台,制备了高质量的光纤悬梁。光纤悬梁直径均匀可控,长度可达1400μm,悬梁端面平整,具有较高的反射率。制备了不同腔长的光纤密封微腔结构,应用于应变和声波传感。理论上,基于光纤法布里珀罗干涉模型,引入光纤端面发散角θ,分析了光纤密封微腔的应变和声波调制机理,利用MATLAB模拟分析了微腔长度对应变和声压传感灵敏度的影响,并在实验上进行了检验。实验结果表明随着腔长增大,应变灵敏度减小,声波灵敏度周期性变化,变化幅度逐渐增大,通过合理的腔长设计可以提高其应变和声压灵敏度。提出并制备了内置悬梁式光纤微腔结构,应用于应变和声波检测。这种结构旨在将光纤悬梁集成在光纤密封微腔中,有效增长其有效作用腔长,进一步提高光纤微腔的声波传感灵敏度。分析了干涉腔长和有效作用腔长对其应变和声波传感特性的影响,并对相同干涉腔长的内置悬梁式光纤微腔和光纤密封微腔进行了应变和声波传感测试。相比同干涉腔长的普通光纤微腔结构,其应变灵敏度提高了16倍,在声波频率200~1000Hz范围内,其声压灵敏度整体提高了4~5倍。
【关键词】：法布里珀罗干涉仪 光纤微腔 光纤悬梁 应变传感 声波传感
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN253;TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-26
• 1.1 声波传感技术概述9-10
• 1.2 光纤声波传感器研究现状10-23
• 1.2.1 基于光强度调制的光纤声波传感器10-14
• 1.2.2 基于光波长调制的光纤声波传感器14-17
• 1.2.3 基于光相位调制的光纤声波传感器17-23
• 1.3 光纤内的微型悬锥结构制备23-25
• 1.4 本文主要研究内容25-26
• 第2章 光纤微腔传感结构的光传输特性模拟仿真26-43
• 2.1 光纤密封微腔干涉理论26-29
• 2.2 光纤密封微腔应力灵敏度和腔长关系模拟29-31
• 2.3 光纤密封微腔腔长对声压灵敏度的影响31-37
• 2.4 内置悬梁式光纤微腔的灵敏度模拟37-42
• 2.4.1 内置悬梁式光纤微腔应变灵敏度模拟37-38
• 2.4.2 内置悬梁式光纤微腔声压灵敏度模拟38-42
• 2.5 本章小结42-43
• 第3章 光纤密封微腔的制备及传感特性研究43-55
• 3.1 光纤密封微腔的制备43-46
• 3.2 光纤密封微腔应变传感实验46-49
• 3.3 光纤密封微腔声波传感实验49-53
• 3.3.1 腔长对光纤密封微腔声压灵敏度的影响49-52
• 3.3.2 光纤密封微腔声波频率响应特性52-53
• 3.4 本章小结53-55
• 第4章 内置悬梁式光纤微腔的制备及其传感特性研究55-66
• 4.1 内置悬梁式光纤微腔的制备55-58
• 4.1.1 光纤悬梁的制备55-57
• 4.1.2 光纤悬梁与光纤微腔的集成57-58
• 4.2 内置悬梁式光纤微腔的应变传感实验58-60
• 4.3 内置悬梁式光纤微腔的声波传感特性研究60-65
• 4.3.1 腔长对内置悬梁式光纤微腔声压灵敏度的影响60-61
• 4.3.2 内置悬梁式光纤微腔声波频率响应特性61-65
• 4.4 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-74
• 致谢74

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