液芯光纤结构的制备及温度传感特性研究

摘要

随着各种温度传感探头的不断发展，光纤温度传感探头研究将是温度测量及监测中的一个重要研究方向，在强电磁场中更是表现出非常优越的特点。温度灵敏度作为评判光纤温度传感探头的一个非常重要的参数，直接影响到传感系统的成本及对微小温度变化的识别水平。因此，研究简单易制备的光纤温度传感探头并提高其温度传感灵敏度具有非常重要的应用价值。
　　空芯光纤由于其特殊构造，在光纤传感中性能优越，受到广泛研究。本文利用空芯光纤的侧壁共振原理将其用于温度传感，用空芯光纤制备光纤温度传感探头并改进结构以提高其温度灵敏度。这种侧壁共振温度传感探头相比于其他类型温度传感探头的优势在于，其透射谱干涉峰的位置及温度灵敏度均与所熔接空芯光纤长度无关，而这降低了制备难度，这非常有利于批量生产探头。
　　在对侧壁共振传感结构的理论分析中，研究了空芯侧壁共振结构内的光传输模型，并对其作出一定的简化，写出其透射光谱的表达式。通过对表达式的分析，找到了其透射谱上波峰（实为波谷）中心波长的表达式，并据此求得温度灵敏度的表达式。通过MATLAB模拟光谱及直接计算灵敏度公式两种方法找到其温度灵敏度值的大小。而后，对空芯侧壁共振结构灵敏度公式的分析，决定通过灌充高热光系数液体的方法提高其温度灵敏度，并对温度灵敏度公式进行修正。最后通过直接计算灵敏度公式，MATLAB模拟及Rsoft仿真三种方法分别计算出液芯结构的温度灵敏度。
　　实验上，本文通过切割熔接的方法制备熔接不同长度空芯光纤的空芯侧壁共振传感结构，并将其用于高温传感，测得其温度灵敏度。然后在空芯侧壁共振传感结构的基础上，通过灌充液体聚合物的方法制备出基于不同长度空芯光纤的液芯侧壁共振传感结构，并重点测定其温度灵敏度，其在温度传感中的重复性，稳定性及对环境温度突变的响应时间等性能参数。最后将传感结构用石英玻璃管进行封装以提高其机械性能并测定其对环境温度突变的响应时间。
　　实验结果表明两种类型的温度传感结构的透射光谱及温度灵敏度与理论仿真计算值均相吻合。空芯侧壁共振结构由于其整个结构均为二氧化硅，所以其更适于高温传感，但其灵敏度仅28.97pm/℃左右。通过填充液体的方法增敏，其灵敏度从皮米量级提高两个量级，最高达到5.086nm/℃左右。并且表现出了非常好的重复性，线性度，稳定性及快的响应时间。

目录

第1章 绪 论

1.1 温度传感探头概述

1.2 光纤温度传感探头研究现状

1.3 空芯光纤结构的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 侧壁共振结构温度传感理论研究

2.1 空芯光纤侧壁共振模型

2.2 侧壁共振结构透射光谱模拟

2.3 空芯侧壁共振结构温度传感特性研究

2.4 液芯侧壁共振结构温度传感特性研究

2.5 本章小结

第3章 空芯侧壁共振结构制备及温度传感研究

3.1 空芯侧壁共振结构的制备

3.2 不同长度空芯光纤结构的光谱测试

3.3 空芯侧壁共振结构温度传感实验

3.4 应变串扰测试

3.5本章小结

第4章 液芯侧壁共振结构制备及温度传感研究

4.1 液芯侧壁共振结构的制备

4.2 液芯侧壁共振结构温度传感实验

4.3 液芯侧壁共振结构温度传感重复性实验

4.4 液芯侧壁共振结构稳定性实验

4.5 液芯侧壁共振结构温阶响应实验

4.6 液芯侧壁共振结构封装

4.7 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢