高灵敏度光子晶体光纤压力传感器研究

摘要

光纤传感技术是以光纤为传导媒质，光波为传输信号的载体，通过测量外界干扰引起的光信号变化，感知外界各物理量变化的新型传感技术。传统电学传感器拥有易解调、价格便宜以及稳定性好等特点，但是这类传感器不能够在环境比较恶劣的情况下正常工作，而光纤传感器能够克服难题。光纤传感器具有体积小，不受电磁干扰，灵敏度高，寿命长，尤其是在高温、易燃易爆、高压、强电磁干扰的情况下正常工作。
　　光纤压力传感器主要是对外界压力进行即时的测量，这也是在传感领域中比较常用到的一种传感器。传统的光纤压力传感器普遍存在灵敏度不高的问题，监测效果并不理想。这是因为传统光纤是实芯的结构，且石英材料的杨氏模量很大，在压力作用下光纤形变非常小，造成了压力传感器不灵敏的结果。而随着光纤制造工艺的成熟，光子晶体光纤（Photonic-crystal fiber，PCF）有着可灵活设计的结构和新颖的传输特性，成为了传感领域研究的一个热点。
　　在本文中我们提出了两种基于光子晶体光纤制作高灵敏度光纤压力传感器的方法。首先,选择性地对光子晶体光纤进行填充高折射率液体，从而制作成光纤压力传感器，并利用石英玻璃和液体之间力学属性的差异获得高压力灵敏度。第二,熔接简化空芯微结构光纤与单模光纤制作法布里-珀罗干涉型压力传感器，通过用氢氟酸腐蚀简化空芯微结构光纤的外径的包层厚度来提高传感器的压力灵敏度。
　　本论文的内容如下：
　　（1）阐述了光纤传感器的基本工作原理及光子晶体光纤的传输特性，就如何利用光子晶体光纤在结构和光学上的特点来提升光纤传感器的性能进行了详细分析。
　　（2）针对石英材料在压力作用下形变小的问题，为了进一步提高传感器的压力灵敏度，提出了液体选择性填充的光子晶体光纤传感器，这主要是利用液体和固体具有不同的压力特性，在受到压力作用下两种物质的折射率变化不同，这导致了液体与光纤耦合波长发生漂移，增强了传感器的力学特性。与裸光纤布喇格光栅压力传感器相比，其压力灵敏度增加了207倍，达到-0.621nm/MPa。
　　(3)提出了一种压力增敏的方法，用氢氟酸腐蚀光子晶体光纤的外包层，通过减小外包层的厚度，削弱了石英材料的杨氏模量的影响，这一结构能够有效地增大外界压力对法布里珀罗腔长度的变化的影响，从而达到了增敏的效果。通过对光子晶体光纤外包层厚度的优化，压力灵敏度由-17.5pm/MPa提升到了-32pm/MPa，几乎提升了2倍，与此同时温度灵敏度基本不发生变化，这种方法在提升压力灵敏度的同时，有效降低了温度交叉敏感性。
　　(4)对论文成果进行总结，归纳了研究工作的创新点，并对未来研究进行了展望。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 光纤压力传感器

1.3 光子晶体光纤发展状况及类型

1.4 光子晶体光纤传输特性

1.5 光子晶体光纤传感器的分类

1.6 研究内容和创新之处

第二章 基于选择性填充光子晶体光纤压力传感器

2.1 引言

2.2 基于液体选择性填充的光子晶体光纤压力传感器

2.3 本章总结

第三章 基于法布里珀罗结构的光子晶体光纤压力传感器

3.1 光纤法布里-珀罗传感器的研究进展

3.2光纤法布里-珀罗腔基本原理

3.3 光纤法布里-珀罗传感器解调方法

3.4 法布里珀罗结构的光子晶体光纤压力传感器研究

3.5 本章总结

第四章 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

攻读硕士期间参加的科研项目

致谢