基于光纤法布里-珀罗的超高温传感器开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

由于光纤传感器及技术具有较其它传感器无法比拟的特点,所以近几年来,光纤传感器与测量技术发展成为仪器仪表领域新的发展方向,而新型光纤传感器有以下特点:

(1)光纤传感器具有优良的传光性能,传光损耗很小,目前损耗能达到≤0.2 dB/km[1]的水平。

(2)光纤传感器频带宽,可进行超高速测量,灵敏度和线性度好。

(3)光纤传感器体积很小,重量轻,能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。

还具有灵敏度高、可靠性好、原材料硅资源丰富、抗电磁干扰,抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、可绕曲、防爆、频带宽、损耗低等特点。同时,它还便于与计算机相连,实现智能化和远距离监控,对传统的传感器起到扩展提高的作用,不少情况下能够完成前者很难完成甚至不能完成的任务。

正是由于光纤传感器具有许多独特优势,可以解决许多传统传感器无法解决的问题,故自从它问世以来,就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。

国内外现已有多种光纤辐射高温计,其中比较典型的是中国科学院西安光学精密机械研究所于1989年12月申请的专利“双波长光纤温度传感器”[2],由探测光纤连接器、Y型分路集成器、信号处理和显示部分组成具有结构紧凑体积小、成本低 、性能高等特点。该传感器可用于高温测量,相对误差小于1%,响应速度为0到10um/ms[3]可调。

光纤温度传感器技术领域如今的课题是从改善光纤、光源、检测器电路和制作工艺等方面人手,进一步提高传感器的精度、可靠性并降低成本。今后发展方向是研究开发特殊测温要求的温度传感器。特别是3000 ℃[4]以上的超高温传感器并将光纤技术与微处理机相结合,发展数字化、集成化和自动化的光纤温度传感器。

游标效应最早用于提高长度测量的分辨率,它的工作原理巧妙利用了主尺与游标的微小比例尺差异。2009年,Dai和Jin 等分别提出基于串联光纤结构的游标效应光学传感器,利用波长解调法实现折射率的超高灵敏度测量。2014年, Zhang 等提出利用空心光子晶体[5]光纤(HC-PCF)的大模场特性将两段HC-PCF 嵌入单模光纤(SMF) 中构成级联FPI结构的游标效应光纤传感器,应用于应力和磁场的测量,较之单一FPI,其灵敏度提高了约29倍[6],2015年,Shao 等提出串联Sagnac 干涉仪的游标效应光纤温度传感器,较之单一Sagnac 干涉仪,其灵敏度提高了约9倍[6],但整个传感器尺寸较大(单个Sagnac干涉环长度约2 m),难以实现高空间分辨的温度测量。

本文介绍一种基于游标效应[7]、结构紧凑且灵敏度高的光纤温度传感器。该传感器是在SMF 末端依次熔接数百微米的一小段毛细管(cap- illary)和大模场光纤(LMAF)而构成级联的两个FPI。由于两干涉仪谐振腔的光程近似相等,从而发生光学游标效应。利用此特性实现温度的高灵敏度测量数量级。

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