基于碳纳米管掺杂聚合物的光纤错位型温度传感器研究

摘要

光纤温度传感器与传统温度检测方式相比具有耐腐蚀，抗电磁干扰，体积小，灵敏度高，使用寿命长，并且可以进行分布式测量及远程监测等优点。本文设计的错位型光纤温度传感器是通过熔接机把两段单模光纤进行错位熔接而制成，该传感器是基于马赫-曾德(Mach-Zehnder)传感器原理，利用倏逝场理论来实现温度传感，其结构尺寸小，制作过程简单，但温度检测灵敏度不高，为提高灵敏度，本文利用碳纳米管较高的导热系数和传热性能对该传感器进行增敏，并运用Rsoft对错位熔接结构进行仿真分析及实验探究了其温度传感特性，主要研究内容如下: (1)在第一部分中，首先介绍了本课题的研究背景和意义，接着阐述了光纤温度传感器的分类及各自的传感原理，然后介绍了全光纤型温度传感器的研究现状，其中重点介绍了基于MZ干涉的光纤温度传感器，特别是利用聚合物敏感材料进行增敏的光纤温度传感器，在此基础上，本文根据敏感材料的增敏机理为后续章节的优化设计提供借鉴和指导。 (2)在第二部分中，首先对全光纤错位熔型传感器进行了理论分析，然后介绍了双光束干涉原理，并对干涉光谱特性和温度传感机理进行分析和推导;接下来通过光束传播法(Beam Propagation Method，BPM)对全光纤错位型结构建立仿真模型，并分别仿真分析了传感器的长度和错位量对干涉谱的影响;之后在实验室制作了小错位熔接的光纤传感器结构，并对其进行了折射率和温度传感实验，实验结果表明其对折射率不敏感，在温度变化范围20℃～80℃时，温度检测灵敏度为48.38pm/℃，为提高温度检测灵敏度，提出在错位熔接的基础上涂覆温度敏感材料。 (3)在第三部分中，主要介绍了温度敏感材料碳纳米管的定义，结构，基本性质，制备碳纳米管的方法，碳纳米管的应用领域，特别是其在光纤传感器方面的应用;然后阐述了碳纳米管的温度敏感机理和目前常用的碳纳米管涂覆光纤的方法;最后根据碳纳米管材料较高的导热系数和热膨胀系数，提出使其与光纤错位型温度传感器相结合用以提高温度检测灵敏度，进而在下一章节对错位熔接结构进行碳纳米管增敏奠定基础。 (4)在第四部分中，设计了基于碳纳米管增敏的光纤错位型温度传感器，包括小错位和大错位熔接的两种温度传感结构。首先对小错位型温度传感器进行了结构的设计，介绍其传感原理及制作过程，并实验分析了不同的小错位量对干涉谱的影响，进而得到较优的错位熔接参数，之后，分别对涂覆纯UV胶和UV胶/碳纳米管混合物的小错位熔接结构进行温度传感实验，实验结果表明，在温度变化范围35℃～80℃时，灵敏度分别为48.81pm/℃，52.36pm/℃。为进一步提高温度检测灵敏度，又探究了大错位熔接结构的温度传感特性，首先介绍其传感原理并对结构进行了仿真优化，然后对该结构用UV胶封装固化后进行了温度传感实验，在温度变化范围30℃～70℃时，灵敏度为120pm/℃，之后又研究了UV胶/碳纳米管不同的混合比例对温度检测灵敏度的影响，实验结果表明，在UV胶/碳纳米管的混合比例为10∶1时，灵敏度达到324.62pm/℃。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题的研究背景及意义

1．2光纤温度传感器的分类

1．2．1分布式光纤温度传感器

1．2．2光纤光栅温度传感器

1．2．3光纤荧光温度传感器

1．2．4干涉型光纤温度传感器

1．3光纤温度传感器研究现状

1．4论文主要研究内容

第2章全光纤错位型温度传感器

2．1全光纤错位型传感器的理论分析

2．1．1双光束干涉原理

2．1．2干涉光谱特性分析

2．1．3温度传感机理推导

2．2全光纤错位型传感器的仿真设计

2．2．1基于RSOFT的仿真模型建立

2．2．2光谱特性的仿真优化

2．3全光纤错位型传感器的折射率传感实验

2．4全光纤错位型传感器的温度实验

2．5本章小结

第3章碳纳米管简介及其温度增敏机理

3．1碳纳米管的定义及特性

3．2碳纳米管的制备方法及应用现状

3．2．1碳纳米管的制备方法

3．2．2碳纳米管的应用现状

3．3碳纳米管的温度敏感机理及在光纤上的涂覆方法

3．3．1碳纳米管的温度敏感机理

3．3．2碳纳米管在光纤上的涂覆方法

3．4本章小结

第4章基于碳纳米管掺杂聚合物的光纤错位型温度感传器

4．1光纤小错位型温度传感器的结构设计

4．1．1光纤小错位型温度传感器的传感原理

4．1．2光纤小错位型温度传感器的制作过程

4．2光纤小错位型温度传感器的实验研究

4．2．1光纤小错位型温度传感器的结构优化

4．2．2基于UV胶的光纤小错位型传感器的温度实验

4．2．3基于碳纳米管掺杂UV胶的光纤小错位型传感器的温度实验

4．3光纤大错位型温度传感器的结构设计

4．3．1光纤大错位型温度传感器的传感原理

4．3．2光纤大错位型温度传感器的仿真优化

4．4光纤大错位型温度传感器的实验研究

4．4．1光纤大错位型温度传感器的制作及光谱特眭分析

4．4．2基于UV胶的光纤大错位型传感器的温度实验

4．4．3基于碳纳米管掺杂UV胶的光纤大错位型传感器的温度实验

4．5本章小结

5．1结论

5．2展望

参考文献

致谢