高靈敏度光子晶體光纖E+E壓力傳感器研究
光纖傳感技術(shù)是以光纖為傳導媒質(zhì),光波為傳輸信號的載體,通過測量外界擾引起的光信號變化,感知外界各物理量變化的新型傳感技術(shù)。傳統(tǒng)電學傳感器擁有易解調(diào)、價格便宜以及穩(wěn)定性好等特點,但是這類傳感器不能夠在環(huán)境比較惡劣的情況下正常工作,而光纖傳感器能夠克服難題。光纖傳感器具有體積小,不受電磁擾,靈敏度高,壽命長,尤其是在高溫、易燃易爆、高壓、強電磁擾的情況下正常工作。

高靈敏度光子晶體光纖E+E壓力傳感器研究
光纖E+E壓力傳感器主要是對外界壓力進行即時的測量,這也是在傳感領(lǐng)域中比較常用到的一種傳感器。傳統(tǒng)的光纖E+E壓力傳感器普遍存在靈敏度不高的問題,監(jiān)測效果并不理想。這是因為傳統(tǒng)光纖是實芯的結(jié)構(gòu),且石英材料的楊氏模量很大,在壓力作用下光纖形變非常小,造成了E+E壓力傳感器不靈敏的結(jié)果。而隨著光纖制造工藝的成熟,光子晶體光纖(Photonic-crystal fiber,PCF)有著可靈活設(shè)計的結(jié)構(gòu)和新穎的傳輸特性,成為了傳感領(lǐng)域研究的一個熱點。在本文中我們提出了兩種基于光子晶體光纖制作高靈敏度光纖E+E壓力傳感器的方法。首先,選擇性地對光子晶體光纖進行填充高折射率液體,從而制作成光纖E+E壓力傳感器,并利用石英玻璃和液體之間力學屬性的差異獲得高壓力靈敏度。第二,熔接簡化空芯微結(jié)構(gòu)光纖與單模光纖制作法布里-珀羅涉型E+E壓力傳感器,通過用氫氟酸腐蝕簡化空芯微結(jié)構(gòu)光纖的外徑的包層厚度來提高傳感器的壓力靈敏度。本內(nèi)容如下:闡述了光纖傳感器的基本工作原理及光子晶體光纖的傳輸特性,就如何利用光子晶體光纖在結(jié)構(gòu)和光學上的特點來提升光纖傳感器的性能進行了詳細分析。針對石英材料在壓力作用下形變小的問題,為了進一步提高傳感器的壓力靈敏度,提出了液體選擇性填充的光子晶體光纖傳感器,這主要是利用液體和固體具有不同的壓力特性,在受到壓力作用下兩種物質(zhì)的折射率變化不同,這導致了液體與光纖耦合波長發(fā)生漂移,增強了傳感器的力學特性。與裸光纖布喇格光柵E+E壓力傳感器相比,其壓力靈敏度增加了207倍,達到-0.621nm/MPa。提出了一種壓力增敏的方法,用氫氟酸腐蝕光子晶體光纖的外包層,通過減小外包層的厚度,削弱了石英材料的楊氏模量的影響,這一結(jié)構(gòu)能夠有效地增大外界壓力對法布里珀羅腔長度的變化的影響,從而達到了增敏的效果。

高靈敏度光子晶體光纖E+E壓力傳感器研究
通過對光子晶體光纖外包層厚度的優(yōu)化,壓力靈敏度由-17.5pm/MPa提升到了-32pm/MPa,幾乎提升了2倍,與此同時溫度靈敏度基本不發(fā)生變化,這種方法在提升壓力靈敏度的同時,有效降低了溫度交叉敏感性。對論文成果進行總結(jié),歸納了研究工作的創(chuàng)新點,并對未來研究進行了展望。