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《西安石油大学》 2020年
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在线型光纤干涉仪的传感技术研究

韩亮  
【摘要】:在线型光纤干涉仪具有结构紧凑、体积小、抗电磁干扰、灵敏度高、全光纤化等优点,被广泛地应用于石油化工、生物医学、建筑结构、航空航天等诸多领域。本论文以在线型光纤干涉仪的原理、制作、理论分析和实验探究为研究主线,设计并制作了四种在线型光纤干涉仪,实验研究了不同结构的在线型光纤干涉仪对液体折射率、液位、温度、湿度等物理参量的传感响应特性。论文的主要研究工作和结论如下:(1)设计并制作了一种基于单模-多模光纤结构的光纤迈克尔逊干涉仪,对其液体折射率响应特性进行了实验研究。实验结果表明:在1.3333~1.3796 RIU液体折射率范围内,多模光纤长度为11 mm的传感器的折射率响应灵敏度为-92.43 dB/RIU,温度传感实验表明溶液温度变化对液体折射率测量影响误差为-1.08×10~-44 RIU/℃。传感器具备良好的重复性和稳定性,可以实现室温下温度不敏感的液体折射率测量。(2)设计并制作了一种基于单模-细径光纤结构的光纤迈克尔逊干涉仪,实现了液体折射率、液位的高灵敏度测量。实验结果显示细径光纤为7 mm的传感器在1.333~1.380RIU的液体折射率范围内的折射率响应灵敏度为-111.58 dB/RIU,温度变化对液体折射率的测量影响误差为-0.89×10~-66 RIU/℃;细径光纤为12 mm的传感器在0~9 mm的液位变化范围内的液位响应灵敏度为-0.129 nm/mm,在20~80℃的温度变化范围内的温度响应灵敏度为0.038 nm/℃。(3)利用光纤熔融拉锥技术,制作了一种基于单模-锥-细径-锥-单模光纤结构的光纤马赫-曾德尔干涉仪。实验结果表明在0~21 mm的液位变化范围内,细径光纤长度为20 mm的传感器的水液位响应灵敏度为0.63 nm/mm;在20~50℃的水温度变化范围内,传感器的水温度响应灵敏度为0.009 nm/℃,温度变化带来的液位测量误差为0.014mm/℃。(4)结合化学腐蚀和光纤熔接技术,研制了一种基于混合腔的光纤法布里-珀罗干涉仪,混合腔传感器由长76.70μm、宽42.61μm的空气气泡和一段长348μm的多模光纤组成。结果表明在40~90%RH的湿度范围内,传感器的环境相对湿度响应灵敏度为-0.017 dB/%RH;在25~160℃的温度范围内,传感器的温度响应灵敏度为9.7 pm/℃,传感器可以实现环境相对湿度和温度的同时区分测量。上述传感器结构紧凑、制作简单、成本低廉且响应灵敏度高,可以分别实现室温下温度不敏感的液体折射率、液位和湿度测量,有一定的应用潜力和实用价值。
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