基于微腔结构的光纤F-P压力传感器设计与研究

摘要

光纤压力传感器由于其具有体积微小、高敏感性和易集成等特性，近几年来获得了各科研机构越来越深入的研究，同时被广泛应用于油田测井等恶劣环境中的压力传感。而基于法布里-珀罗干涉仪结构（Fabry-Perot Interference，简称FPI）的光纤F-P压力传感器除了具备传统光纤传感器的优点以外，还具有测量精度高，交叉敏感度低等优势，可用于温度、应变和压力等外界物理参数的单一测量，能够满足实际应用中的传感需求。 由于F-P干涉仪的结构特性对于光纤F-P传感器的测量性质影响较为明显，因此本文将基于微腔结构的光纤F-P压力传感器作为研究目标，主要完成了以下方面的工作：提出光纤-玻璃管-光纤的微腔结构并进行压力传感特性的测试。选择蛋形微泡结构作为研究对象，搭建三维精密平台对蛋形微泡-光纤结构进行研究，通过傅立叶变换白光干涉测量术（FTWLI）对其干涉腔长信息进行解调。最终封装该蛋形微泡-光纤传感结构，并进行单一压力灵敏度的测试。 通过实验结果可以得出，本文所提出的光纤-玻璃管-光纤结构适用于高压环境下的压力传感，具有4.7pm/kPa的压力灵敏度。所提出的蛋型微泡-光纤结构的压力灵敏度为11.1pm/kPa，其F-P干涉腔长对压力的最大形变灵敏度为0.334nm/kPa。封装后的结构具有8.6pm/kPa的压力灵敏度同时具有良好的抗温度干扰能力并且能够实现压力的远程测量。本文所研究的微腔传感结构可以应用于实际中的压力传感，为低成本，高灵敏度和抗温度干扰能力强的光纤F-P压力传感器提供有效参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1光纤传感器的研究背景

1.2 光纤传感原理及应用技术简介

1.3 国内外研究现状

1.3.1基于薄膜结构的光纤压力传感器研究现状

1.3.2基于微腔结构的光纤压力传感器研究现状

1.4 论文内容及章节安排

第二章 光纤Fabry-Perot传感器

2.1 Fabry-Perot干涉仪基本原理

2.2光纤Fabry—Perot传感器的典型结构

2.2.1 IFPI光纤传感器

2.2.2 EFPI光纤传感器

2.3 本章小结

第三章 干涉光谱信号解调方法

3.1光谱域光纤白光干涉测量技术

3.2 光谱域光纤白光干涉测量算法

3.2.1 基于峰值测量的F-P腔长解调算法

3.2.2 基于波长追踪和干涉级次的F-P腔长解调算法

3.2.3 基于傅里叶变换的腔长解调算法

3.3 本章小结

第四章 光纤F-P微腔结构的制备与压力传感特性实验

4.1 光纤-玻璃管-光纤结构

4.1.1 光纤-玻璃管-光纤结构的制备

4.1.2 光纤-玻璃管-光纤结构的压力特性研究

4.2 蛋形微泡-光纤结构

4.2.1 蛋形微泡结构的制备与分析

4.2.2 蛋形微泡-光纤结构的压力测试

4.2.3 蛋形微泡-光纤结构的腔长解调

4.2.4 蛋形微泡-光纤结构的封装与测试

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢