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随着信息社会的发展,光纤传感技术作为作用日益显著的高新信息技术,是光纤通信和集成光学技术二者的结晶。其设计灵活、灵敏度高、响应速度快、可适应许多恶劣测量环境等优势,弥补了传统传感器在应用中的诸多限制,极大地推动了传感技术的发展,满足了现代测量技术的需要,因此其被应用于许多领域中。由于光纤传感器在军用和民用市场中重要的应用价值,其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视。
本论文突破传统的光纤传感方法,在光纤端面进行各种特殊结构设计,从理论和实验上研究和设计基于光纤端面特殊结构的光纤传感器。通过在普通光纤端面封装热敏感材料、镀有机材料薄膜或者进行特殊加工来构成具有特殊结构的传感探头从而构成传感系统的。此类传感系统利用菲涅尔反射原理或者法布里-珀罗(F-P)干涉原理来实现外界物理量的传感测量。本文的主要工作以及创新点包括:
(1)运用菲涅尔反射原理,在光纤端面用金属套封装热敏感材料,根据温度变化引起材料折射率大小变化之间的对应关系,实现温度的监控测量,并把该系统从单点测量扩展到并行多点测量。该结构引入了“相对光强”解调技术和系统校准方法。通过“相对光强”解调技术和测量前校准的方法,消除了光源强度的抖动、连接损耗等因素对系统的影响,使得该温度测量系统具有高灵敏度和高分辨率等优点。
(2)根据F-P干涉原理,把在光纤末端封装热敏材料换成是在光纤端面上镀上有机薄膜,形成光纤末端面的F-P腔,通过测量F-P干涉所形成的干涉条纹在波长方向上的移动,从而实现温度的监控测量。此传感器在结构上更加简单,操作更加方便。
(3)在光纤端面镀膜传感器的F-P干涉原理基础上,在光纤末端经过特殊加工嵌套固定一个带有一定空隙的金属板块,从而使得当光纤传感探头与被测物体接触时形成一个由光纤端面与物体表面形成的F-P空气腔。文中就干涉条纹的波数与物体产生的位移之间的关系进行了分析研究,从理论和实验上证实了该系统测量物体微小位移的可行性,并可以得到高达16nm的高分辨率位移测量。
(4)基于F-P空气腔光纤位移传感器的测量原理,研究分析F-P干涉条纹反衬度与被测物体表面折射率之间的关系,并将其用于玻璃折射率的测量。突破以往光学玻璃折射率测量技术,首次设计出基于光纤技术的光学玻璃折射率测量方法,具有更高的实用性。实验中测量出的BK7,SF10和SF11的折射率与SCHOOT数据列表中的折射率数据非常接近。