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基于光纤法布里-珀罗的超高温传感器毕业论文

 2020-02-17 10:02  

摘 要

光纤传感器的灵敏度作为光纤传感器的一个重要指标,近些年来围绕如何有效提升灵敏度的方案百花齐放。本文从光纤传感器的传感原理出发,研究不同温度的测量,制作了一种可以用于超高温测量的光纤温度传感器。在总结和学习了前人的优秀报告后,提出了一种基于游标效应的光纤温度传感器,灵敏度高且结构简单紧凑,制作的传感器是在单模光纤末端黏结一小块石英片和大模场光纤构成两个级联的FPI。因为两个干涉仪谐振腔的光程近似相等,从而发生光学游标效应,所以它们具有相近的自由光谱区。实验结果表明基于游标效应得到的传感器在300℃附近其温度灵敏度从1.019nm/℃提升到了1.226nm/℃。本文制作的F-P传感器灵敏度高且结构简单,奠定了其在科学研究、交通、电力、机械等各个领域的发展前景。

关键词:法布里-珀罗传感器;游标效应;温度灵敏度;级联FPI;

Abstract

As an important index of optical fiber sensor, the sensitivity of optical fiber sensor has been flourishing in recent years around how to improve the sensitivity effectively. Based on the sensing principle of optical fiber sensor, this paper studies the measurement of different temperatures, and makes a kind of optical fiber temperature sensor which can be used for ultra-high temperature measurement. After summarizing and studying the excellent reports of predecessors, a kind of optical fiber temperature sensor based on cursor effect is proposed, which has high sensitivity and simple and compact structure. The sensor is fabricated by bonding a small piece of quartz wafer at the end of single-mode optical fiber and forming two cascaded FPI of single-mode optical fiber. Because the optical path of the two interferometer resonators is approximately equal, the optical cursor effect occurs, so they have similar free spectral region. The experimental results show that the temperature sensitivity of the sensor based on the vernier effect increases from 1.019 to 1.226nm /℃ The F-P sensor made in this paper has high sensitivity and simple structure, which lays a foundation for its development prospects in scientific research, transportation, power, machinery and other fields.

Keywords: Fabry Perot Sensor;Vernier effect; Temperature sensitivity; Cascaded FPI;

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 国内外研究现状分析 2

1.2.1 干涉型光纤传感器 2

1.2.2 F-P型光纤温度传感器 3

1.3 游标(Vernier)效应原理 4

1.4 本论文主要实验内容 5

第2章 法布里珀罗光纤传感器的原理及应用 6

2.1引言 6

2.2法布里珀罗光纤传感器的基本原理 6

2.3 F-P 型谐振腔的理论分析 7

2.4 基于单一F-P腔的传感器 7

2.5 基于两个F-P腔级联的传感器 8

第3章 基于游标效应的双 F-P 腔级联的温度传感器 11

3.1光纤陶瓷插芯 11

3.2石英片 12

3.3高温黏胶剂 13

3.4传感器的结构 13

3.5传感器的制作 14

第4章 法布里珀罗光纤传感器的实验测量和结果分析 16

4.1法布里珀罗光纤传感器的温度实验 16

4.2法布里珀罗光纤传感器在不同温度下的光谱图 17

4.2.1 300℃光谱包络分析及灵敏度测量 17

4.2.2 500℃光谱包络分析及灵敏度测量 19

4.2.3 800℃光谱包络分析及灵敏度测量 20

4.3 本章小结 22

第5章 总结 23

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

近些年来,随着科学技术的日益发展,光纤传感器技术的不断突破,其所带来的较其它传感器无法比拟的优点,已经使得光纤传感器与测量技术作为优秀的科技进步成果成为了仪器仪表领域新的研究发展方向,在不断创新的脚步推动下,新型光纤传感器也体现出了它不可替代的优良性能。在众多不同传感原理的光纤传感器中,法布里-珀罗(Fabry-Perot)光纤温度传感器因其结构紧凑、稳定性好以及抗电磁干扰能力强而尤其受到广泛关注。其中制备光纤温度传感器的方法有很多,包括现在已经研究出的纤内镀膜、激光钻孔、化学腐蚀、聚焦离子束,以及利用两根光纤熔接处折射率的不匹配等[1]。其中游标效应被最初用于提高长度的测量,它是利用主尺与游标的比例尺差异来工作。2009年,Dai和Jin等分别提出基于串联光纤环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[1]。2014年,Zhang等提出利用空心光子晶体光纤(Hollow Photonic Crystal Fiber,HC-PCF)的大模场特性将两段HC-PCF嵌入单模光纤(Single Mode Fiber,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[1]。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[1],虽然经过几年的科技实验研究,光纤灵敏度得到了很大的提升,但是传感器的规模尺寸较大,同时,由于材料限制的原因,无法用于高温环境的测量。

本文介绍一种基于游标效应的光纤温度传感器,其结构简单且灵敏度高。实验中传感器在单模光纤末端黏接一小块石英片和大模场光纤而构成级联的两个FPI。由实验计算我们可以知道两个干涉谐振腔的光程近似相等,从而奠定了其发生光学游标效应的原理。利用此特性实现了温度的高灵敏度测量,同时利用石英片的耐热物理性质提高了传感器的耐高温性能。

1.1 课题背景及研究意义

当前随着光纤及其传感技术的日趋成熟,对于光纤传感器的理论研究和实验测量已经到了一个深入阶段,所以光纤传感器的实用性能已经成为众多领域的研究重点,而且科学技术的不断发展也推动了传感机理和光纤特殊材料的迅速发展。

近些年来光纤传感技术较其它传感器拥有了无法比拟的优势,作为发展迅猛的成熟科学创新,光纤传感测量技术成为了研究领域的热门课题。经过科技领导者们的不懈努力,如今光纤传感技术成果斐然。新型的光纤传感器有下列许多优点,

(1)光纤传感器具有优秀的传光性能,传光损耗小,就目前的发展成果来看能达到小于每千米0.2分贝的损耗[2]

(2)光纤传感器频带宽,灵敏度高,线性度高[2],可以用于超高温的测量;

(3)光纤传感器体积小、重量轻、便于携带、容错率高,能够用于相对环境较差的非接触式、非破坏性以及远距离测量。

除此之外光纤传感器具有可靠性好、损耗低、原材料资源丰富、抗电磁干扰的优点[3],相比于传统的光纤传感器,新型光纤传感器的工艺性能优良,其数据处理与云端同步,能够完成传统光纤传感器不能完成的工作。

由于光纤传感器的优良性能,所以作为可靠的实验器材,自光纤传感器发展到现在,其应用领域非常广泛。而且伴随着信息技术的不断进步,光纤传感器于计算机技术的对接,实现了其数据智能化和远距离温度监控的重大进步。

其中中国科学院西安光学精密机械研究所1989年12月申请的专利“双波长光纤温度传感器”就是一种光纤结构的温度测量系统,由光纤探测连接器、Y型分路集成器、信号处理和显示部分组成[3],在众多专家和学者的努力下,此次研究的光纤温度传感器结构紧凑,制作成本较低 ,性能高,其响应速度在0到10μm可调,相对误差小于1%,可用于高温测量[3]

现阶段,随着光纤传感技术的发展成熟,光纤温度传感器技术领域已经从如何制备光纤温度传感器到了怎么改善光纤传感器的结构,降低制作成本,提高灵敏度等方面入手,为了进一步提高传感器的灵敏度,同时研究开发满足一些条件苛刻,需要特殊测温要求的温度传感器,尤其是1000℃以上的超高温传感器,使光纤技术与计算机微处理技术相结合,发展数字集成化和半自动化的光纤温度传感器已经成为当下研究的必然趋势。

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 干涉型光纤传感器

在实际应用中,光纤利用光的全反射特性来传播光信号,但是光信号在光纤的传播过程中会受到许多外界因素的影响,这样的一些干扰导致了光信号在传播过程中的一些特征参量发生变化,所以我们需要知道这些外界因素导致的被测物理量的变化原因,用探测器和信号处理将这种变化原因解调出来,就可以获得被测物理量的具体变化。利用这种原理就可以制成环境监测类传感器如温度、压力、折射率传感器等,或者工程力学类传感器如流量、位移、振动以及加速度传感器,再或者微小信号类传感器比如超声波、弯曲和电流传感器等。光纤传感器根据工作方式的不同,可以分为两种,一种是光纤不仅作为传输单元而且做为敏感单元;另一种是光纤只作为传输单元存在,然后由其它单元做敏感单元。[4]

其中就为我们熟知的相位调制型光纤传感器他的工作原理就是利用被测参量对折射率和腔长变化作为敏感单元,然后用干涉仪进行解调的方法,获得需要被测的物理量。这类传感器的可测物理量广泛(如水压、气压、折射率、温度、湿度、加速度等),灵敏度很高,有时需要特种光纤来构建干涉仪。因为干涉原理的不同,光纤干涉型传感器可以分为很多种,其中包括马赫-曾德尔(Mach Zehnder,M-Z)光纤传感器,Sagnac光纤传感器,迈克逊(Michelson)光纤传感器和法布里-珀罗(F-P)型光纤传感器[4]。M-Z 型光纤传感器的原理是通过构造两个臂的光路,其中一个作为传感臂,去感应被测物理量的变化,另一个作为参考臂,用双光束干涉解调透射光的干涉光谱,得到解调出的被测物理量[4]。Sagnac型的原理是构造了一个环状结构,它将经耦合器分成两束的光,因为其具有的不同偏振态所以使得光在构造的环状结构里正反两方向传播,作为光纤传感部分的双折射光纤,还有不同偏振态的光传播速度的不同,得到外界环境通过影响双折射系数来影响两束光的相位差。Michelson型的原理同M-Z型差不多,它也是通过构造两个臂,其中一个作为传感臂感应被测物理量的变化,另一个作为参考臂,不同的是解调反射光的干涉光谱。F-P 型传感器的原理由 F-P 腔来实现,它可以是单一的,也可以是级联的结构。其中F-P 腔作为对被测物理量的主要参数,它的反射光谱随被测物理量变化。上面提到的几种传感器类型中,F-P 型传感器具有很大的的优势,它的结构简单,体积小,易于封装获得了科技研究者的青睐。

从上文中我们知道了光纤F-P型传感器的诸多优点,所以从理论上分析该传感器的工作原理,由实验结果得到不同温度提高灵敏度的方法,就显得尤为重要。

1.2.2 F-P型光纤温度传感器

F-P型光纤温度传感器可以分为本征型法布里-珀罗干涉仪(Intrinsic Fabry-Perot Interferometer,IFPI)和非本征型法布里-珀罗干涉仪(Nonintrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI)[5]。其中最早被用于研究的光纤 F-P 传感器就是本征型法布里-珀罗干涉仪,也被称为内腔式干涉仪。1988 年,C.E.Lee 等第一次成功制作了光纤 IFPI 传感器[6],成为了光纤传感器领域的研究热点。1992 年,Anbo Wang 等把多模光纤同普通单模光纤连接为一体的方法,实现了976℃[6]的高温测量,得到的温度测量分辨率为 0.2℃[6]。 2004 年,F. Shen 等采用聚焦逐点写入的方法对不同位置的曝光,使其折射率发生变化,由菲涅尔反射的原理,形成了一种反射率和传输损耗都较小的光纤传感器。2007 年,Y. J. Rao 等将晶体光纤与普通单模光纤熔接[6],不同光纤导致具有的不同折射率,利用这种折射率差异制作了光纤应变和温度传感器。2012 年,巴西的 F. C. Favero 等利用一种微腔结构制作了 FP 传感器。此次制作的传感器实验结果较为理想,该类传感器不仅应变灵敏度高而且温度系数低。当 F-P 腔大小为 1060μm时,其应变灵敏度系数为10.3pm/με[6]。这个测量数值比布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)的1.2pm/με大一个数量级[6]。2015 年,深圳大学的 Shen Liu 等研究了光纤微球空气腔长度以及气泡形状对应变传感器拉伸灵敏度的影响,空气微球采用光纤熔接机制作[6]。从上述专家学者的理论研究中,光纤 IFPI 传感器可以用来应变、压力等物理量的测量问题。但是在高温环境下的应变测试而言,温度和应变两个物理量的交叉敏感性作为一个重大的科研阻碍将会是光纤 IFPI 传感器在航天工程测量中需要克服的主要问题。

非本征型法布里-珀罗干涉仪光纤传感器是一种外腔式的干涉仪。由于两段光纤水平对准,它的腔内介质通常为空气。在实验过程中为了方便使用,两段光纤通常被封在一段毛细玻璃管内[6]。EFPI 光纤传感器的自由光谱区很宽,波长变化范围也很大,在光纤传感领域的应用非常广泛。非本征法布里-珀罗(EFPI)结构光纤传感器自1991年被 Kent A. Murphy [6]等报道以来,发展迅速受到了广泛关注。对于光纤EFPI传感器,改变它的入射端和反射端的结构,我们可以制作出对待测物理量的敏感性很高,而对其他物理量敏感性较低的传感器。因此这一类传感器具有较强的环境适应性。2000 年,Anbo Wang 等[6]利用激光加工的方式将毛细管、反射端、光纤连接在一起的结构,制作了EFPI 传感器,这种方法制作的光纤 EFPI 传感器没有高温处理问题,因此应用领域很广泛。2008 年,饶云江用激光制作了一种晶体光纤F-P传感器。利用波长157 nm[6]的激光,在单模光纤端面制作小孔,熔接与另一段单模光纤,制作了腔长为45. 6μm[6]的法布里-珀罗干涉腔。但是实验结果不理想,制作的传感器对温度不敏感,在800℃范围内腔长变化很小。

实际应用中,根据现实需求,法布里-珀罗型传感器的灵敏度大都不同。例如,有一种传感器F-P 腔体的长度与灵敏度与无关,开腔式的 F-P 型折射率传感器就是这样,它的工作原理是构建一个开口F-P 腔,他的腔内物质通常发生改变,这使得它的折射率参量不同,因而反射光谱发生漂移。此外,隔膜 F-P 型传感器的工作原理是构建具有反射隔膜的F-P 腔,使腔体的长度发生变化,从而达到反射光谱漂移的效果。这是一种灵敏度与 F-P 腔体的长度有关的传感器,想要获得更小的灵敏度则隔膜腔体的长度越长。因此,从F-P 型传感器的工作原理出发,理论分析不同形式的传感器工作方式 ,总结出对应不同温度下灵敏度的变化趋势,在以后的科学研究中显得十分重要。就显得十分必要了。

1.3 游标(Vernier)效应原理

2009 年,Dai 和 Jin 将 Vernier 效应引入到光纤传感器的制作[4],它是由两个环状结构光路在微小的光程差情况下级联,经过干涉原理,从而得到了具有游标效应的测量光谱,对于灵敏度由显著的放大作用。不可忽视的是环状结构有很大的弊端,它的体积大,不宜封装,所以此类传感器无法全面推广。2014 年,Tang 等人提出将两个 F-P 腔级联起来,可以实现对灵敏度放大28 倍[4]。由于两腔四面的结构不太理想,对温度的响应速度过于缓慢,失去了传统单F-P 腔传感器结构紧凑响应快的优点。其实在 2008 年,Rao [4]课题组曾提出过另外一种构建Vernier 效应的结构,最终得到的实验效果也较为理想。现阶段前人的工作已经涉及了两个 F-P 腔级联的情况,Vernier效应的应用更是打开了双F-P腔级联方式提高灵敏度的一扇大门,但是都较为缺乏系统性的整理工作,所以本文对构建 Vernier 效应的条件以及其对灵敏度的影响进行了简单的实验总结和梳理,来获得基于游标效应的光纤法布里珀罗的超高温传感器。

1.4 本论文主要实验内容

通过 F-P 型光纤传感器的工作原理,进行实验测量不同温度下其灵敏度的变化方式。在前人的研究成果和现有的技术条件下,针对不同的被测物理量寻找不同的 F-P 腔模型,结合 Vernier 效应,总结出双F-P 腔级联模式在不同温度下灵敏度的变化趋势,制作可以用于超高温测量的温度传感器。本文主要研究内容包括以下几个方面,首先从理论角度分析不同类型的 F-P 型传感器的工作方式,测量不同温度下的灵敏度的变化因素,得到控制其灵敏度的方法。其次,对两个 F-P 腔级联的传感器工作方式以及不同温度下包络曲线对应的波长漂移因素进行 Origin 作图,从而得到不同温度下其灵敏度的变化方式。

第2章 法布里珀罗光纤传感器的原理及应用

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