锥形光纤传感器及其无线传感系统研究

发布时间：2017-12-20 18:22

  本文关键词：锥形光纤传感器及其无线传感系统研究　出处：《上海大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：光纤传感是伴随着光纤通信技术而发展起来的一门新型的传感技术,与传统基于电学原理的传感器相比,光纤传感器具有抗电磁干扰、体小质轻、高灵敏度以及宽带传输等优点,因此已成为传感器领域的研究热点。近年来,高灵敏度是光纤器件研究和发展的趋势之一,以锥形光纤为基本传感器件的传感技术研究应用受到普遍关注,国内外学者积极开展相关的研究工作,在众多领域具有巨大的应用潜力。随着物联网的兴起和发展,实现网络型智能传感成为人们追逐的研究目标。但对于一些监测空间范围大,监测点距离远的场合,采用有线布设的光纤传感器网络具有移动性差、灵活性低、可扩展性差、容易受损、部署困难、安装及维护成本高等缺点,其应用在一定程度上受到限制。将无线传感器网络技术与光纤传感技术相结合,可以有效解决上述问题,融合两者的优点,拓展两者的应用领域,具有重要的科学意义和巨大的社会价值。本文在充分研究光纤传感技术、信号处理技术和无线通信技术的基础上,针对低折射率材料涂敷锥形光纤传感器、高折射率纳米膜涂敷锥形光纤传感器、光纤传感器节点及相应的无线网络拓扑结构和网络协议、传感系统的试验等问题进行了系统的研究,主要研究内容如下:1.提出了低折射率材料涂覆绝热锥形光纤的波导结构,建立了等效的两层结构模型,对其传输特性和传感机理进行了理论研究。研究表明,随着外界环境折射率增大,满足绝热条件的锥形光纤的局部锥角变小,绝热条件更严苛。随着薄膜折射率的增加,纤芯内功率与总功率之比减小,导致输出功率减小,且薄膜折射率越接近光纤包层折射率,其功率比下降越迅速,灵敏度就越高。随着膜厚的增加,功率比下降,当膜厚增大到一定值时,其功率比变化将趋于一致,此时灵敏度最高。另外锥腰越细,灵敏度也越高。实验中,选择硅橡胶作为温度敏感材料涂敷在锥形光纤表面制作锥形光纤温度传感器,并采用功率解调,结构简单,稳定性好。实验结果表明,输出功率随温度的增加而增加,灵敏度随锥腰半径的减小而增加,锥腰半径为10μm的锥形光纤温度传感器的灵敏度为14.88μW/oC。2.提出了高折射率纳米膜涂覆绝热锥形光纤的波导结构,分别从几何光学角度和模式理论角度对这种波导结构进行了计算和分析。研究表明,随着高折射率纳米膜膜厚的增加,满足绝热条件的锥形光纤的局部锥角变小,绝热条件更严苛。对于高折射率纳米膜涂覆锥腰区域的结构,从几何光学来讲,可以被视作薄膜f-p干涉仪,输出光谱呈现周期干涉图样;从模式理论来讲,纳米膜模截止时会产生光纤基模到纳米膜模的耦合,从而出现损耗模谐振现象。这些谐振峰会随着纳米膜厚度、纳米膜折射率实部和外界环境折射率的增加而发生红移;谐振峰的深度会随着纳米膜折射率虚部、锥腰长度的增加,或锥腰半径的减小而增加;此外,随着入射光角度的增加,谐振峰的深度和宽度会减小,而谐振峰则会发生微小的蓝移。3.采用原子层沉积(atomiclayerdeposition,ald)技术在光纤表面沉积高折射率纳米膜,其制作方法简单易行,可选择多种不同折射率的涂层材料,膜厚均匀且能精确控制,膜具有良好的粘附力,从而保证了传感器的传感特性。实验表明,高折射率纳米膜涂覆绝热锥形光纤的波导结构能有效提升折射率传感灵敏度,在常用波段内,al2o3纳米膜涂覆锥形光纤在低折射率范围内的灵敏度为6008nm/riu,在高折射率范围内的灵敏度为16660nm/riu,tio2纳米膜涂覆锥形光纤在低折射率范围内的灵敏度为7096nm/riu,在高折射率范围内的灵敏度可达31647nm/riu;在al2o3纳米膜涂覆锥形光纤表面再包裹硅橡胶制作高灵敏度温度传感器,其灵敏度可达2.44nm/℃。4.搭建了将光纤传感器与无线传感器网络有机结合的光纤传感器无线传感系统,搭载低折射率材料涂覆锥形光纤温度传感器的分辨率为0.091℃,搭载高折射率纳米膜涂覆锥形光纤温度传感器的分辨率为0.024℃,两种温度传感器相比较,前者具有更宽的测量范围,后者具有更高的灵敏度和分辨率。从小型化、低功耗、低成本和高可靠性的设计角度出发,对相关电子器件进行了分析和选择,采用模块化设计的方法,对传感器节点的传感检测模块、微处理器模块、无线通信模块及能源供给模块进行了设计和开发,能集成任意的强度解调型光纤传感器以传感不同的物理量。针对传感系统的组网问题,提出了由底层网络(光纤传感器节点-管理节点)和上层网络(管理节点-路由节点-中心控制节点)组成的网络拓扑结构,设计了带有休眠机制的低功耗分层嵌套通信协议,实现了软件的模块化设计,能准确地将传感器采集到的传感数据发送至中心控制节点。该系统融合了光纤传感器和无线传感器网络的优点,与传统光纤传感系统相比,本系统具有无需布线、组网灵活等特点,研究成果具有自主知识产权,能够广泛应用于分布式传感,对于实际工程应用极具参考价值。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212;TN253

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本文编号：1312956