基于F-P干涉原理和荧光材料温敏机理的复合参数光纤传感器研究

摘要

光纤传感器由于其重量轻、体积小、耐腐蚀性、灵敏度高、动态响应范围大和抗电磁干扰能力强等特点，已经成为传感研究领域的最重要研究方向之一，尤其是在强电磁干扰、高温、高压等恶劣环境下的应用更是具有传统传感器无法比拟的优势，引发人们的极大关注。多参数光纤传感器由于易于频域、时域、空域复用，及可实现多参数同时测量的优越特性，已成为国内外光纤传感领域新的研究热点。
　　本文基于光纤法布里-珀罗干涉原理和荧光寿命机理，研究了温度与压力同时测量的复合参数光纤传感器特性、复合参数解调方法，研制了复合参数光纤传感器件。论文主要研究工作内容包括:
　　1基于法布里-珀罗干涉原理，研究、设计传感器压力敏感探头，对敏感探头尺寸进行了理论仿真;基于MEMS技术，研究、解决压力敏感探头制作关键工艺，研制了硅-玻璃压力敏感探头。
　　2采用常温搅拌法制备了稀土铕配合物Eu(BTF)3phen，对稀土铕配合物的荧光性能改善进行了研究;对稀土铕配合物配体进行了不同的分子修饰并测试了荧光光谱。实验表明本方法合成的铕配合物具有较好的热稳定性，引入不同的数目甲基基团在一定程度可以改善原配合物的荧光性能。
　　3基于F-P干涉原理和荧光温敏机理设计了压力与温度同时测量的复合参数光纤传感器。以LED和卤灯同时作为激励光，激励光入射复合传感器后的返回光既包含了干涉腔的低相干信息，又包含了荧光寿命信息，两种信息完全独立，可分别实现压力测量与温度测量。
　　4基于白光干涉技术，实现了硅-玻璃型法布里-珀罗干涉腔长的解调。研究分析了法布里-珀罗干涉信号中噪声来源，采用了小波降噪技术，提高了信噪比;利用斐索干涉仪与法布里-珀罗腔长的互相关性，实现了干涉腔长的解调。
　　5研究了锁相法检测荧光寿命方法。基于LabVIEW平台，使用锁相放大技术实现了荧光寿命测定。
　　6搭建了压力与温度测量实验系统，开发了同时测量温度、压力解调软件，进行了复合参数光纤传感器实验研究，实验结果表明，与理论设计、分析高度一致，所研制的传感器件能实现压力、温度双参量的同时测量，且性能稳定。
　　本论文主要创新点在于:
　　1基于F-P干涉原理和荧光温敏机理，研究、设计了压力、温度复合参数光纤传感器。复合参数型光纤传感器为一种压力、温度两个不同结构传感探头集成体，经传感器调制后的返回光包含了干涉腔的低相干信息和荧光寿命信息，可实现压力与温度两种参数同时测量。
　　2基于白光干涉解调和锁相放大技术，实现了复合参数光纤传感器的压力、温度双参数解调:利用斐索干涉仪与法布里-珀罗腔长的互相关性，采用小波降噪的方法，实现了压力测量;基于LabVIEW平台和锁相放大技术，实现了温度测量。
　　3基于微纳米加工技术，研制了复合传感器的核心部件-非镀膜、端压式结构的硅-玻璃压力敏感膜片，研究解决了硅-玻璃压力敏感腔长的可控性和一致性关键工艺技术问题，可实现批量制作。
　　4深入研究了稀土铕配合物的荧光特性，采用引入不同数目甲基基团方法极大改善了原配合物的荧光性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光纤传感概述

1．2 法布里-珀罗光纤压力传感技术

1．2．1 法布里-珀罗光纤压力传感器概述

1．2．2 光纤法布里-珀罗传感器的国内外发展现状

1．3 光纤荧光温度传感技术

1．3．1 光纤荧光温度传感器概述

1．3．2 光纤荧光温度传感器的国内外发展现状

1．4 多参数光纤传惑器

1．4．1 多参数光纤传感器概述

1．4．2 多参数光纤传感器国内外发展情况

1．5 论文结构

1．6 本章小结

第二章 基于法布里-珀罗干涉的MEME光纤压力传感器研究

2．1 法布里-帕罗光纤传感器

2．1．1 本征型光纤法布里-珀罗传感器

2．1．2 非本征型光纤法布里-珀罗传感毒

2．1．3 在线型光纤法布里-珀罗传感器

2．2 EFPI光纤传感器的干涉原理

2．3 EFPI光纤法布里-珀罗干涉传感器解调算法

2．3．1 强度解调算法

2．3．2 相位解调算法

2．4 本章小结

第三章 基于稀土荧光材料温敏机理的光纤温度传感器的研究

3．1 光纤荧光温度传感器的传感机理

3．1．1 荧光产生机理

3．1．2 荧光材料的激发光谱与发射光谱

3．1．3 荧光的激发光源

3．2 稀土荧光材料

3．2．1 稀土材料概述

3．2．2 荧光材料的温度敏感机理与性能研究

3．3 光探测器件

3．4 荧光寿命的检测方法研究

3．4．1 积分法

3．4．2 最小二乘拟合法

3．4．3 频域法

3．4．4 时间相关单光子计数法

3．5 本章小结

第四章 基于F-P干涉原理和荧光材料温敏机理的复合参数光纤传感器研究

4．1 复合参数光纤传感器测量原理与结构设计

4．1．1 复合参数光纤传感器测量原理

4．1．2 复合参数光纤传感器结构设计

4．2 膜片式光纤法布里-珀罗传感器的结构设计与关键制作工艺研究

4．2．1 膜片式光纤法布里-珀罗传感器的工作原理与结构设计

4．2．2 传感器探头的材料选择

4．2．3 传感探头尺寸设计与仿真

4．2．4 传感嚣探头的关键制作工艺研究

4．3 稀土荧光材料性能研究

4．3．1 铕配合物的制备及性能改善研究

4．3．2 稀土荧光材料选择及其光谱测试

4．3．3 驱动光源与及光电探测器

4．4 复合参数光纤传感器研制

4．4．1 多模光纤粘结与抛光研磨工艺

4．4．2 复合传感器制作

4．5 本章小结

第五章 复合参数光纤传感器解调算法研究

5．1 法布里帕罗干涉白光干涉解调算法研究

5．1．1 白光干涉信号噪声来源

5．1．2 小波变换概述

5．1．3 小波变换对白光干涉光谱信号的分解与降噪

5．2 荧光微弱信号的提取算法研究

5．2．1 锁相法检测荧光寿命原理

5．2．2 信号延迟比选择的理论分析与仿真计算

5．2．3 脉冲调制锁相放大技术的LabVIEW仿真

5．3 复合参数光纤传感器解调软件设计与开发

5．4 本章小结

第六章 基于F-P干涉原理和荧光材料温敏机理的复合参数光纤传感器的实验研究

6．1 压力测量实验研究

6．1．1 压力测量实验系统搭建

6．1．2 压力测量标定实验

6．1．3 压力测量稳定性与重复性实验

6．2 温度测量试验研究

6．2．1 系统延迟实验研究

6．2．2 温度测量标定实验

6．3 传感器温度压力双参数在线同时测量实验

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

附录 在学期间发表的主要论文

致谢