【摘 要】
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全光纤干涉式传感器凭借其灵敏度高、尺寸小、成本低等独特优势在折射率、气体浓度等物理量的检测中具有广阔的应用前景。但由于传感器结构及光纤固有材料参数限制了参与传感的包层模的有效折射率范围,从而限制了该类折射率传感器的应用范围。为满足该类传感器对应低浓度液体折射率以及气体折射率检测的需要,近年来,先后出现了微纳光纤结构、光纤端面开腔以及光纤表面去包层到纤芯等传感结构,研究表明以上方法可有效提高折射率检
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全光纤干涉式传感器凭借其灵敏度高、尺寸小、成本低等独特优势在折射率、气体浓度等物理量的检测中具有广阔的应用前景。但由于传感器结构及光纤固有材料参数限制了参与传感的包层模的有效折射率范围,从而限制了该类折射率传感器的应用范围。为满足该类传感器对应低浓度液体折射率以及气体折射率检测的需要,近年来,先后出现了微纳光纤结构、光纤端面开腔以及光纤表面去包层到纤芯等传感结构,研究表明以上方法可有效提高折射率检测灵敏度并扩大检测范围。然而,现有传感器的结构还存在一些问题,其传感性能还需深入研究。本论文基于微腔光纤干涉式传感器,通过理论分析和实验研究的方法,对开放式及封闭式微腔结构的干涉式光纤传感器的折射率及温度传感特性开展了研究,并利用闭腔式传感结构对乙醇气体浓度和气体压力进行了研究。本论文主要工作如下:1.简要综述了干涉式光纤传感器微腔结构的发展现状,并对基于微腔光纤结构的折射率传感研究现状、温度传感研究现状、气压传感研究现状以及气体浓度传感研究现状进行了论述。2.微腔式光纤结构的折射率传感特性研究。首先构建了 F-P干涉理论模型和M-Z干涉理论模型,并分别对折射率传感理论进行分析,然后对传感结构的干涉光场分布进行模拟仿真,最后利用微腔光纤传感结构进行折射率实验研究。实验结果表明:基于开放式微腔光纤结构的折射率灵敏度为50.001nm/RIU,当传感结构中接入3cm的小芯径光纤时,低折射率范围灵敏度达到565.22nm/RIU,高折射率范围灵敏度达到-655.55nm/RIU,实现了折射率增敏,而封闭式微腔光纤传感结构的折射率灵敏度为-81.481nm/RIU。3.微腔式光纤结构的温度传感特性研究。建立了光纤F-P温度传感模型和M-Z温度传感模型,并分别对F-P温度传感特性和M-Z温度传感进行理论分析和实验研究。实验结果表明:当温度检测范围为35℃～95℃时,开放式微腔光纤结构的温度灵敏度为0.0158nm/℃,当接入小芯径光纤时,温度灵敏度为0.0287nm/℃。封闭式微腔光纤传感结构的灵敏度为0.0439nm/℃。4.封闭式微腔光纤结构的气压传感特性研究。建立了封闭式微腔气压传感模型,对微腔F-P干涉气压理论进行分析,并通过实验研究了封闭式微腔的气压传感特性。实验测试得到:干涉谱随着乙醇气体气压的增大而发生红移,气压灵敏度为1.2709nm/MPa,当气压超过0.2MPa时,波长的变化趋于缓慢,该传感结构对气压可进行有效的检测。5.封闭式微腔光纤结构乙醇气体浓度传感特性研究。首先对封闭式微腔气体浓度传感M-Z干涉原理进行了分析研究,然后对不同微腔长度的传感结构进行输出谱模拟,最后利用实验对两种腔长结构进行研究。实验结果表明:腔长为25.3μm的微腔传感结构对气体浓度传感更加敏感,灵敏度为-0.855nm/%,对微腔填充石墨烯,经过实验测试,气体浓度灵敏度高达-1.0922nm/%,波长与气体浓度的线性度与之前相比也有所提高,线性度为97.43%。
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