薄膜式法布里珀罗光纤传感器的有限元分析及应用研究
发布时间：2021-06-24 14:05
近年来,光纤传感器依靠着其相对于传统传感器的独特优势而备受关注,例如尺寸小重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、响应速度快以及化学和热稳定性高等等。作为其中最具有代表性的一员,法布里珀罗光纤传感器特别是基于压力敏感膜片的非本征型法布里珀罗光纤传感器已经被广泛应用于石油化工、电力系统、医学、环境监测、土木工程等诸多领域并取得了非常卓越的成就。伴随着光纤通信技术的发展以及新材料和相关加工工艺的不断完善,越来越多的材料被应用于光纤传感器薄膜的制备中,其中硅材料因其优异的机械、化学和热稳定性成为最为常用的材料之一,并且由于硅与玻璃之间的键合具有非常高的键合强度和相对简单的工艺步骤使得硅薄膜光纤传感器具有非常大的优势。现如今大量的超薄材料例如银薄膜、聚合物材料以及二维材料等也被应用于传感器的压力敏感薄膜制备中,依靠其材料本身较小的杨氏模量和非常薄的厚度可用于制备超高灵敏度的法布里珀罗光纤传感器。对光纤传感器光信号进行解调的方法依据其分析对象分为强度解调法、相位解调法、频率解调法等等,不同的解调方法都具有各自独特的优点以及劣势,在不同的应用领域以及商品化过程中常常根据自身的需求选择合适的传感器解调方...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１法布里珀罗干涉仪的基本结构??法布里珀罗干涉光纤传感器大致可以分成两类：一类是本征型法布里珀罗光??
?山东大学博士学位论文???光纤Ａ?光纤Ｂ?光纤Ｃ??．．．Ｉ??￣??？?ｎ???ｊＶ?ｎ??ＩＩ，?Ｊｉ??高反膜－一＂?Ｒ??图１．２?—种本征型法布里珀罗光纤传感器结构??空气??光纤Ａ?光纤Ｂ???１?－?■：?－?ｊ：?■?－?？?￣１???？???－???？－?－?－??????Ｌ????ｊ???．．．?．．?．．…．．?．１??毛细管??图１．３?—种毛细管结构的非本征型法布里珀罗光纤传感器??基于法布里珀罗干涉光纤传感器结构简单、灵敏度高等优点，一直以来相??关工作者对不同材料及结构传感器的研宄非常广泛且深入，在很多领域也进行??了实践应用，例如医学领域的微创手术中使用的血压传感器以及油井、天然气??井内的温度和压力监测等等［８５－８７］。??１．３国内外研究现状及存在的问题??早在１９８１年，法布里珀罗干涉光纤传感器的概念就被ＰｅｔｕｃＡｏ朽Ａｊ‘，??Ｓ．ＪＩ８８］等人首次提出，他们利用单模光纤制作了一种不使用耦合器的法布里珀??罗光纤干涉仪并且得到了非常高灵敏度的相位移动测试结果。??１９８７年，紅８９］等人利用两个带有压力传感膜片的法布里珀罗腔制??作了一种高灵敏度的光纤压力传感器，首次提出了膜片式的非本征型法布里珀??罗光纤传感器。之后随着不同的材料被应用在压力敏感薄膜上，越来越高灵敏??度的传感器被开发出来。??１９９１年，等人利用单晶硅片作为敏感薄膜制作了光纤压??力传感器并用于静态和动态压力测量，由于其加工工艺和材料简便使其成为后??期研宄最为广泛的材料之一。
?＾?山东大学博士学位论文???第二章薄膜式法布里珀罗光纤传感器的理论基础??上一章主要介绍了本论文研宄工作的应用背景，大致分析法布里珀罗光纤传??感器的基本原理与分类。本章在上一章的基础上对薄膜式法布里珀罗光纤传感器??的基本工作原理与表征方法进行深入介绍。分别从传感器压力分析和温度分析的??角度对其干涉条纹以及薄膜形变进行理论计算，并且介绍两种信号的解调方法以??及优劣点。??２．１薄膜式法布里珀罗光纤传感器的工作原理??２．１．１多光束干涉的基本原理??第一章中介绍过法布里珀罗干涉光纤传感器划分为很多种类型，但是不论是??本征型还是非本征型光纤传感器都遵循两个或者多个平行平面间的多光束干涉??原理即法布里珀罗干涉仪的基本原理，因此首先分析一下多光束干涉的基本原理。??＿??ａｔｔ＇?ａｔｔｌｒ，２ｅ￣ｌＳ?ａｔｔ＇ｒ＾ｅ－１２５?ａｔｔｒｒ，６ｅ￣ｌ３Ｓ??图２．?１多光束干涉的基本原理??图２．?１为一束光在两个平行平面之间发生多次反射和透射产生多光束干涉??的原理图。假设一束振幅为ａ的单色光束入射进入一块厚度为ｈ，折射率为ｎ的??两表面严格平行的透明平板中并在平板内部发生多次的反射和透射。平行平板上??下界面的透射率分别为ｔ和ｔ’，光束从透明平板外部射入界面上的界面反射率??为ｒ，光束从透明平板内部射入界面上的界面反射率为ｒ’。各级次的透射光束??依次为ａｔｔ’，ａｔｔ’?ｒ?‘２，?ａｔｔ’?ｒ?‘４，ａｔｔ’?ｒ?‘６…相邻光束之间的相位差５为：??２ｔｃ?Ａｎ??５?＝?—?Ａ?＝?—?ｎｈ?？?ｃｏｓｙ?（２．１）??Ａ?Ａ??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向海洋应用的光纤法布里-珀罗高压传感器[J]. 张伟航,江俊峰,王双,刘琨,张学智,丁振扬,刘铁根. 光学学报. 2017(02)
[2]光纤传感器及其医学应用研究[J]. 林海彬,王晓薇. 电子世界. 2016(08)
[3]光纤法布里—珀罗腔式冲击波压力传感器及其应用研究[J]. 周会娟,余尚江,杨吉祥,陈晋央,郭士旭,贾超. 兵工学报. 2014(S2)
[4]高精度光纤陀螺位置和姿态测量系统[J]. 吕少麟,张君正,刘镇平,陆文飞,张九宾,袁锐. 测绘通报. 2014(S1)
[5]光纤传感技术的研究进展及应用[J]. 侯俊芳,裴丽,李卓轩,刘超. 光电技术应用. 2012(01)
[6]微型膜结构全光纤珐珀干涉高温传感器[J]. 朱涛,柯涛,饶云江,段德稳,徐敏. 光学精密工程. 2010(05)
[7]硅片力学性能及热膨胀系数的热稳定性研究[J]. 王晓燕,翟秀静,张廷安,符岩,郑双. 真空与低温. 2009(03)
[8]光纤传感器在油气勘探上的应用[J]. 刘景利,苏兆斌,邓瑞. 国外油田工程. 2009(06)
[9]分布式光纤温度传感器发展状况及趋势[J]. 贾振安,周晓波,乔学光,王琳. 光通信技术. 2008(11)
[10]一种监测管道形变的光纤自编织式微弯传感器[J]. 吴晓立,茶国智,姜向东. 半导体光电. 2008(03)
博士论文
[1]煤矿开采多参量光纤光栅智能感知理论及关键技术[D]. 梁敏富.中国矿业大学 2019
硕士论文
[1]基于光纤传输的工业传感器网络设计研究[D]. 赵智增.北方工业大学 2016
[2]光纤法布里-珀罗传感器腔长解调新方法与系统研究[D]. 黄海.重庆大学 2010
本文编号：3247240
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１法布里珀罗干涉仪的基本结构??法布里珀罗干涉光纤传感器大致可以分成两类：一类是本征型法布里珀罗光??
?山东大学博士学位论文???光纤Ａ?光纤Ｂ?光纤Ｃ??．．．Ｉ??￣??？?ｎ???ｊＶ?ｎ??ＩＩ，?Ｊｉ??高反膜－一＂?Ｒ??图１．２?—种本征型法布里珀罗光纤传感器结构??空气??光纤Ａ?光纤Ｂ???１?－?■：?－?ｊ：?■?－?？?￣１???？???－???？－?－?－??????Ｌ????ｊ???．．．?．．?．．…．．?．１??毛细管??图１．３?—种毛细管结构的非本征型法布里珀罗光纤传感器??基于法布里珀罗干涉光纤传感器结构简单、灵敏度高等优点，一直以来相??关工作者对不同材料及结构传感器的研宄非常广泛且深入，在很多领域也进行??了实践应用，例如医学领域的微创手术中使用的血压传感器以及油井、天然气??井内的温度和压力监测等等［８５－８７］。??１．３国内外研究现状及存在的问题??早在１９８１年，法布里珀罗干涉光纤传感器的概念就被ＰｅｔｕｃＡｏ朽Ａｊ‘，??Ｓ．ＪＩ８８］等人首次提出，他们利用单模光纤制作了一种不使用耦合器的法布里珀??罗光纤干涉仪并且得到了非常高灵敏度的相位移动测试结果。??１９８７年，紅８９］等人利用两个带有压力传感膜片的法布里珀罗腔制??作了一种高灵敏度的光纤压力传感器，首次提出了膜片式的非本征型法布里珀??罗光纤传感器。之后随着不同的材料被应用在压力敏感薄膜上，越来越高灵敏??度的传感器被开发出来。??１９９１年，等人利用单晶硅片作为敏感薄膜制作了光纤压??力传感器并用于静态和动态压力测量，由于其加工工艺和材料简便使其成为后??期研宄最为广泛的材料之一。
?＾?山东大学博士学位论文???第二章薄膜式法布里珀罗光纤传感器的理论基础??上一章主要介绍了本论文研宄工作的应用背景，大致分析法布里珀罗光纤传??感器的基本原理与分类。本章在上一章的基础上对薄膜式法布里珀罗光纤传感器??的基本工作原理与表征方法进行深入介绍。分别从传感器压力分析和温度分析的??角度对其干涉条纹以及薄膜形变进行理论计算，并且介绍两种信号的解调方法以??及优劣点。??２．１薄膜式法布里珀罗光纤传感器的工作原理??２．１．１多光束干涉的基本原理??第一章中介绍过法布里珀罗干涉光纤传感器划分为很多种类型，但是不论是??本征型还是非本征型光纤传感器都遵循两个或者多个平行平面间的多光束干涉??原理即法布里珀罗干涉仪的基本原理，因此首先分析一下多光束干涉的基本原理。??＿??ａｔｔ＇?ａｔｔｌｒ，２ｅ￣ｌＳ?ａｔｔ＇ｒ＾ｅ－１２５?ａｔｔｒｒ，６ｅ￣ｌ３Ｓ??图２．?１多光束干涉的基本原理??图２．?１为一束光在两个平行平面之间发生多次反射和透射产生多光束干涉??的原理图。假设一束振幅为ａ的单色光束入射进入一块厚度为ｈ，折射率为ｎ的??两表面严格平行的透明平板中并在平板内部发生多次的反射和透射。平行平板上??下界面的透射率分别为ｔ和ｔ’，光束从透明平板外部射入界面上的界面反射率??为ｒ，光束从透明平板内部射入界面上的界面反射率为ｒ’。各级次的透射光束??依次为ａｔｔ’，ａｔｔ’?ｒ?‘２，?ａｔｔ’?ｒ?‘４，ａｔｔ’?ｒ?‘６…相邻光束之间的相位差５为：??２ｔｃ?Ａｎ??５?＝?—?Ａ?＝?—?ｎｈ?？?ｃｏｓｙ?（２．１）??Ａ?Ａ??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向海洋应用的光纤法布里-珀罗高压传感器[J]. 张伟航,江俊峰,王双,刘琨,张学智,丁振扬,刘铁根. 光学学报. 2017(02)
[2]光纤传感器及其医学应用研究[J]. 林海彬,王晓薇. 电子世界. 2016(08)
[3]光纤法布里—珀罗腔式冲击波压力传感器及其应用研究[J]. 周会娟,余尚江,杨吉祥,陈晋央,郭士旭,贾超. 兵工学报. 2014(S2)
[4]高精度光纤陀螺位置和姿态测量系统[J]. 吕少麟,张君正,刘镇平,陆文飞,张九宾,袁锐. 测绘通报. 2014(S1)
[5]光纤传感技术的研究进展及应用[J]. 侯俊芳,裴丽,李卓轩,刘超. 光电技术应用. 2012(01)
[6]微型膜结构全光纤珐珀干涉高温传感器[J]. 朱涛,柯涛,饶云江,段德稳,徐敏. 光学精密工程. 2010(05)
[7]硅片力学性能及热膨胀系数的热稳定性研究[J]. 王晓燕,翟秀静,张廷安,符岩,郑双. 真空与低温. 2009(03)
[8]光纤传感器在油气勘探上的应用[J]. 刘景利,苏兆斌,邓瑞. 国外油田工程. 2009(06)
[9]分布式光纤温度传感器发展状况及趋势[J]. 贾振安,周晓波,乔学光,王琳. 光通信技术. 2008(11)
[10]一种监测管道形变的光纤自编织式微弯传感器[J]. 吴晓立,茶国智,姜向东. 半导体光电. 2008(03)
博士论文
[1]煤矿开采多参量光纤光栅智能感知理论及关键技术[D]. 梁敏富.中国矿业大学 2019
硕士论文
[1]基于光纤传输的工业传感器网络设计研究[D]. 赵智增.北方工业大学 2016
[2]光纤法布里-珀罗传感器腔长解调新方法与系统研究[D]. 黄海.重庆大学 2010
本文编号：3247240
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