宏弯曲塑料光纤折射率传感特性研究

发布时间：2016-11-19 02:38

  本文关键词：宏弯曲塑料光纤折射率传感特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

《吉林大学》 2015年

宏弯曲塑料光纤折射率传感特性研究

景宁  

【摘要】：折射率作为材料的重要光学参数，可以反映其浓度、纯度、温度和应力等性质和状态，因此折射率传感技术被广泛应用于食品科学、医学测量、生化分析、污染物监测等领域。光纤传感技术是折射率测量的一种主要手段，它具有抗电磁干扰、反应迅速、体积小巧、与现有光纤通信网络相兼容等优点。而随着光纤传感器研究的深入和应用范围的扩展，人们对光纤折射率传感器提出新的要求，如简化制造工艺、降低设备成本等等。因此，塑料光纤以其柔韧性好、成本低、可见光操作以及易于加工和连接等特性在折射率传感技术中引起关注，且具有重要的研究价值和广阔的应用前景。 本文以实现液体折射率的快速、高效、低成本检测为目的，提出了两种基于塑料光纤宏弯曲结构的折射率传感器，即一种是可实现微小型化的宏弯曲微/纳米塑料光纤折射率传感器，和另外一种可实现高灵敏、结构简单和价格低廉的侧抛宏弯曲塑料光纤折射率传感器。分别对这两种传感器件在恒定温度与温度变化（10~70°C）环境中的折射率传感特性进行了研究和分析，通过理论与实验优化了它们的结构参数，提高了传感特性。另外，对于温度变化对宏弯曲商用塑料光纤光信号的传输影响也进行了研究。得到的主要研究结果如下： 用热拉伸法成功地将商用塑料光纤的直径由一毫米减小到几十微米的尺寸量级，从而制成了微/纳米塑料光纤。利用特定工艺将其制备成宏弯曲结构的折射率传感功能器件。采用光线追迹法理论优化了宏弯曲微/纳米塑料光纤折射率传感器的结构，并模拟仿真了它的折射率传感特性，理论结果与实验非常符合。研究得到了决定该传感器折射率传感性能的结构参数R/ρ，即微/纳米塑料光纤的宏弯曲曲率半径与光纤自身半径的比值。当R/ρ=20时，传感器的传感特性最好，在1.33~1.45的折射率测量范围内、其灵敏度达到50dB/RIU的最佳值，并呈现良好的线性传感响应。传感器探头的长宽尺寸为（2×1）mm2左右，实现了器件的微小型化要求。 研究了宏弯曲微/纳米塑料光纤折射率传感器的温度依赖特性，理论与实验具有很好的符合。将传感器置于温度变化的环境中，，发现折射率和温度变化对传感器宏弯曲损耗的影响是在同一数量级上，成功分离出传感器自身的温度依赖损耗。给出了单位温度下该传感器的折射率测量偏差及温度修正方法。 将侧抛与宏弯曲结构相结合，制备了侧抛宏弯曲塑料光纤折射率传感器。采用热定型工艺解决了该类型传感探头在宏弯曲半径较小和侧抛深度较大的情况下机械强度变差的问题。通过实验，对侧抛宏弯曲塑料传感探头进行了结构优化。研究发现，不仅宏弯曲曲率半径和侧抛磨深度对传感器的性能产生影响，侧抛位置在其中也起非常重要的作用。当曲率半径为5mm、侧抛深度为500m、以及侧抛磨位置为60°时，该传感器处于最优化结构，此时其灵敏度达到最大值154dB/RIU，并且表现出良好的线性传感响应。 在温度变化的环境中，研究了侧抛宏弯曲塑料光纤折射率传感器的温度依赖特性。成功去除待测液体热光效应引起的测量值变化，得到了温度对传感器折射率测量偏差的影响，并给出了传感器温度依赖偏差的修正方法。研究发现，对于侧抛型宏弯曲塑料光纤存在一种温度不敏感环境物质，当光纤被这种物质包覆后，其传输特性不受温度影响，该现象可在其他传感领域得到潜在的应用。 最后，实验研究了宏弯曲商用塑料光纤的温度依赖特性。发现，当塑料光纤曲率半径小于20mm时，温度影响将随着缠绕匝数的增加而提高，最高可达0.011dB/°C；当曲率半径大于25mm时，温度变化对传输损耗影响较小，小于0.002dB/°C，且温度对不同缠绕匝数光纤的影响趋于一致。结果指出，为减小温度对传输损耗的影响，塑料光纤的缠绕曲率半径应大于25mm。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212
【目录】：

下载全文 更多同类文献

CAJ全文下载

(如何获取全文？ 欢迎：购买知网充值卡、在线充值、在线咨询)

CAJViewer阅读器支持CAJ、PDF文件格式

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 滕传新;夏洪运;景宁;郑杰;;微/纳米塑料光纤的制备及其折射率传感特性研究[J];光电子.激光;2013年01期

2 辛高鹏;彭坤;谷志民;赵健;范瑞琴;刘璐;徐晓峰;;Refractive index sensor based on a step index multimode polymer optical fiber with a micro-hole created by a miniature numerical control machine[J];Chinese Optics Letters;2013年02期

3 ;我国大容量塑料光纤技术突破难关,跻身世界前列[J];工程塑料应用;2013年12期

4 ;塑料光纤产品发展简述(国内篇)[J];国外塑料;2011年03期

5 ;我国大容量塑料光纤破除日本在国际上的垄断地位[J];塑料科技;2010年06期

6 储九荣,徐传骧;聚甲基丙烯酸甲酯塑料光纤本征损耗的计算[J];西安交通大学学报;2001年06期

7 刘天山;塑料光纤(POF)的发展及其应用[J];应用光学;2004年03期

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈丹;方龙;;对于光纤Michelson干涉仪的实验研究[J];安徽电子信息职业技术学院学报;2010年02期

2 荣传新;蔡海兵;;光纤传感技术的应用与土木工程测试技术课程的教学改革[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2008年05期

3 李成;钱楷;;光源线宽对推挽式光纤传感器的影响[J];安庆师范学院学报(自然科学版);2008年03期

4 魏世明,柴敬,李毅;岩梁小变形的光纤光栅检测方法研究[J];地下空间与工程学报;2005年S1期

5 魏世明;柴敬;;相似模拟实验中光纤光栅传感检测研究[J];地下空间与工程学报;2007年06期

6 黄山,赵华凤,俞涛,周开军,刘海涛;光纤光栅温度补偿桥式结构[J];半导体光电;2003年06期

7 巩宪锋,王长松,郭转运,吕可诚;FFP边带滤波技术研究[J];半导体光电;2004年01期

8 罗洪,熊水东,陈儒辉,胡永明,倪明,孟洲;全保偏光纤加速度矢量传感器的设计与实验[J];半导体光电;2004年03期

9 杨华勇,周伟林,李智忠,孙崇峰,胡永明;窄带激光器调谐的光纤光栅波长移位解调[J];半导体光电;2005年01期

10 胡正良;胡永明;赵明辉;;基于偏振消光的全光纤衰减器[J];半导体光电;2005年06期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 刘长武;吴鑫;陈泽辉;;基于光纤微弯传感的三维物理模型应力测量技术[A];2011年中国矿业科技大会论文集[C];2011年

2 雷平顺;薛力芳;何军;曾华林;付跃刚;周燕;;ZEMAX在多模光纤准直器设计中的应用[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年

3 李倩;高伟;奔粤阳;孙枫;;Ixsea公司光纤陀螺捷联惯性装置性能分析与试验研究[A];微机电惯性技术的发展现状与趋势——惯性技术发展动态发展方向研讨会文集[C];2011年

4 庄卫星;金轶群;;FTTH用高强度抗弯曲单模光纤[A];全国第十三次光纤通信暨第十四届集成光学学术会议论文集[C];2007年

5 史巍巍;胡婷婷;;光纤光栅探测超声波的研究现状浅析[A];2011年机械电子学学术会议论文集[C];2011年

6 董晓马;王忠辉;;智能复合材料中FBG智能夹层的研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（9）[C];2007年

7 王术军;张保洲;;原位分光测试系统的研制[A];2004全国光学与光电子学学术研讨会、2005全国光学与光电子学学术研讨会、广西光学学会成立20周年年会论文集[C];2005年

8 王晓玲;郎晓萍;牛春晖;;光信息科学与技术专业课程改革研究[A];2006-2010年教育部高等学校光电信息科学与工程专业教学指导分委员会及协作委员会2010年全体会议论文集[C];2010年

9 童杰;;光纤微弯位移传感器的研究和设计[A];江苏计量测试学术论文集（2009）[C];2009年

10 陈德胜;黄晓砥;林京;;干涉型光纤水听器的3×3耦合器解调[A];中国声学学会2007年青年学术会议论文集（下）[C];2007年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 张琛;光纤陀螺光路偏振特性及温度性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

2 朱晓亮;波导型微结构光纤与标准光纤的耦合机理研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

3 张勇;布里渊光纤陀螺有源腔关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

4 陈世同;高精度光纤陀螺建模及信号处理技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

5 吕文磊;压差式光纤矢量水听器基元与测试技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

6 史青;光子晶体光纤及其在传感领域的应用研究[D];南开大学;2010年

7 姜萌;光纤CRDS流体传感的理论与实验研究[D];南开大学;2010年

8 石洗凡;大幅面古画高保真数字获取关键技术研究[D];浙江大学;2010年

9 付宏燕;基于光纤器件的微波信号产生、滤波技术及其应用[D];浙江大学;2010年

10 倪凯;光纤光栅制备及传感应用研究[D];浙江大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 胡霁;基于匹配法的嵌入式光纤光栅温度传感系统[D];南昌航空大学;2010年

2 王铁柱;基于硅基波导声光移频器理论与技术的研究[D];长春理工大学;2010年

3 贾林涛;折射率调制光纤气体传感系统设计与研究[D];郑州大学;2010年

4 左伟丽;连续掺镱光子晶体光纤激光器理论和实验研究[D];郑州大学;2010年

5 罗小军;基于VFC的电子式电流互感器的设计[D];山东农业大学;2010年

6 韩书新;光纤陀螺用保偏光纤及光纤环测试方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

7 孙巧英;光纤陀螺捷联系统振动特性研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

8 马茜;准分布式光纤布拉格光栅温度监测系统的研究[D];大连理工大学;2010年

9 孙静;基于DBR光纤激光器的光生毫米波技术研究[D];天津理工大学;2010年

10 蒋松;GMM-FBG电流传感器及其应用技术[D];哈尔滨理工大学;2010年

【二级参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 包华育;王廷云;;基于耦合分光可见度的光纤温度传感器[J];光电子·激光;2005年12期

2 李恩邦;郑丹莹;张晨亮;唐春晓;;基于空心光纤多模干涉的折射率传感器研究[J];光电子.激光;2010年10期

3 黄振健;黄旭光;陈基焕;谢金玲;;基于光纤折射率传感原理的溶液密度测定方法[J];光电子.激光;2011年03期

4 唐昌平;邓明;朱涛;饶云江;;基于光子晶体光纤M-Z干涉仪的折射率传感器研究[J];光电子.激光;2011年09期

5 郭璇;毕卫红;刘丰;付广伟;;双偏振微结构光纤光栅的折射率传感特性分析[J];光电子.激光;2012年02期

6 程华奇;荆振国;彭伟;郝华丽;李虹;张信普;;基于单模光纤偏芯结构的光纤折射率传感器研究[J];光电子.激光;2012年04期

7 朱燕杰,苏立国,付松年,董小鹏;新型光纤的技术发展及应用[J];光机电信息;2001年05期

8 储九荣,徐传骧;高聚物光纤的研究进展[J];功能高分子学报;1998年04期

9 肖学智,肖平,索永跃,黄景元;纤维光学显示屏与光纤盆景[J];光通信技术;1990年02期

10 储九荣;高聚物光纤材料及制备方法[J];化工新型材料;1998年08期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 张光;梯度折射率塑料光纤关键设备的研制[D];燕山大学;2001年

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘铁生;;紫外、可见、近红外区域的折射率精密测定[J];光学工程;1977年04期

2 张春平;商美茹;;透明薄膜的微小折射率变化的测量[J];光电子.激光;1985年03期

3 邓文荣;兰慧;卫秋霞;;光学玻璃折射率压力系数测定方法[J];长春光学精密机械学院学报;1988年04期

4 刘纯胜;张天序;李晓彤;;无规则非均匀折射率场描述[J];红外与激光工程;2007年01期

5 李杰;;长周期光纤光栅折射率传感的研究[J];厦门科技;2006年02期

6 陶俊;鲁拥华;陈春翀;王沛;明海;;长径比对金纳米棒折射率传感灵敏度的影响[J];量子电子学报;2012年01期

7 李恩邦;郑丹莹;张晨亮;唐春晓;;基于空心光纤多模干涉的折射率传感器研究[J];光电子.激光;2010年10期

8 简国树,刘伟,吴世法,潘石;光子扫描隧道显微镜测量折射率图象的初步研究[J];光电工程;2000年03期

9 贾振红,地里木拉提·土尔逊,李芮;光漂白引起推拉型偶氮有机聚合物折射率变化的测量[J];光电子·激光;2001年11期

10 刘思敏,陈晓虎,温海东,江瑛,郭儒,许京军,张光寅;饱和非线性光学介质中的变折射率光学工程[J];物理;2001年12期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 黄耀熊;;折射率微球传感器及其在生物医学的应用[A];第八届全国光生物学学术会议论文摘要集[C];2013年

2 王雨雷;吕志伟;何伟明;;强激光在非线性介质中的自聚焦特性[A];江苏、山东、河南、江西、黑龙江五省光学（激光）联合学术'05年会论文集[C];2005年

3 谭婵源;黄耀熊;;溶液折射率与其温度和浓度的关系研究[A];广东省生物物理学会2013年学术研讨会论文集[C];2013年

4 岳良跃;查悦明;黄耀熊;;可测定生物微区及单个微球折射率简便测定[A];中国遗传学会“第十一届全国激光生物学学术会议”暨《激光生物学报》创刊廿周年庆祝会、第十届粤港生物物理研讨会暨2012年广东生物物理学术年会会议资料[C];2012年

5 李波;辜姣;;运用SPR检测技术测量溶液浓度[A];湖北省物理学会、武汉物理学会2004’学术年会论文集[C];2004年

6 周瑜;贾光明;张贵忠;向望华;刘国标;刘春江;;用高精度法布里-珀罗干涉仪测量液体的折射率[A];第十七届全国激光学术会议论文集[C];2005年

7 赵慧洁;王魁;;分界面厚度方法在气动光学波前失真仿真中的研究[A];2006年全国光电技术学术交流会会议文集（A 光电系统总体技术专题）[C];2006年

8 胡守信;汪秉宏;;高速公路海市蜃楼现象的数值模拟[A];第十六次全国原子、原子核物理研讨会暨全国近代物理研究会第九届年会论文集[C];2006年

9 胡守信;汪秉宏;;高速公路前方海市蜃楼现象的数值模拟[A];全国复杂系统研究论坛论文集（二）[C];2005年

10 王小真;董小鹏;李伟文;;灵敏度增强的光纤Bragg光栅折射率传感特性分析[A];全国第十三次光纤通信暨第十四届集成光学学术会议论文集[C];2007年

中国重要报纸全文数据库 前2条

1 何璠;[N];中国矿业报;2004年

2 瑞丽;[N];卫生与生活报;2008年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 李强;液体折射率及液相扩散系数的测量方法研究[D];云南大学;2013年

2 邓诗涛;变折射率介质中的光传输及像质评价[D];浙江大学;2008年

3 丁金妃;光纤光栅折射率传感技术研究[D];浙江大学;2006年

4 王若晖;新型光纤气体折射率传感器研究[D];西北大学;2014年

5 粟鹏义;非均匀波的反射与透射研究[D];上海交通大学;2009年

6 王槿;基于导数全内反射法的组织复折射率测量及应用研究[D];南开大学;2013年

7 景宁;宏弯曲塑料光纤折射率传感特性研究[D];吉林大学;2015年

8 汪扬春;光纤折射率传感和信号解调技术研究[D];浙江大学;2010年

9 包鸣;纳米薄膜界面的表面等离子体共振效应的研究[D];华东师范大学;2012年

10 汪相如;大模场反折射率增益导引光纤激光器件的理论及实验研究[D];电子科技大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 张晨亮;空心光纤中的多模干涉及在折射率传感中的应用[D];天津大学;2009年

2 高伟强;基于线阵CCD的液体折射率实时测量装置设计[D];哈尔滨工程大学;2012年

3 夏国正;近临界流体密度及折射率的实验研究[D];华中科技大学;2009年

4 杨宏坤;高折射率玻璃微珠折射率的测量研究[D];四川大学;2006年

5 王颖;棱镜型光纤液体折射率传感器关键技术研究[D];中北大学;2012年

6 李立柱;基于多模干涉反射式光纤折射率传感器研究[D];大连理工大学;2012年

7 陈小勇;模间干涉反射式LPG折射率传感器研究[D];大连理工大学;2013年

8 陈呈;人工电磁材料近零折射率特性的研究[D];西安电子科技大学;2014年

9 程红飞;变折射率介质中成像研究[D];天津大学;2005年

10 周素梅;变折射率球透镜的研制及其光学特性的研究[D];西南师范大学;2003年

  本文关键词：宏弯曲塑料光纤折射率传感特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：181815